JP2018507138A - Underwater vehicle design and control method - Google Patents
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Abstract
地面効果力を使用し、表面に対する車両の位置付けを制御するように設計された車両ならびにその使用方法が、説明される。一実施形態では、車両が、部分的楕円形状を有する第1の部分と、平坦であり、第1の部分と関連付けられる第2の部分とを含む車体を有する。車両はまた、車体の平坦な第2の部分がそれに向かって配向される好適な表面からの情報を感知するように構成される、1つまたはそれを上回るセンサを含む。さらに別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分と関連付けられる、少なくとも1つのスラスタとを有する。少なくとも1つのスラスタは、ある直径およびある推力容量を有する。A vehicle designed to use ground effect forces and control the positioning of the vehicle with respect to a surface, as well as a method of using the same, is described. In one embodiment, a vehicle has a vehicle body that includes a first portion having a partial oval shape and a second portion that is flat and associated with the first portion. The vehicle also includes one or more sensors configured to sense information from a suitable surface toward which the flat second portion of the vehicle body is oriented. In yet another embodiment, the vehicle has a vehicle body that includes a flat portion and at least one thruster associated with the flat portion of the vehicle body. At least one thruster has a certain diameter and a certain thrust capacity.
Description
(政府出資)
本発明は、米国科学財団によって助成された認可番号CMMI1363391の政府支援を用いてなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
(Government-funded)
This invention was made with government support under grant number CMMI1363391, subsidized by the National Science Foundation. The government has certain rights in the invention.
(関連出願の相互参照)
本願は、2015年3月3日に出願された米国仮出願第62/127,510号および2015年3月3日に出願された米国仮出願第62/127,489号の35 U.S.C. § 119(e)のもとの優先権の利益を主張するものであり、これらの各々の開示は、参照によりその全体が本明細書中に援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is filed in US Provisional Application No. 62 / 127,510 filed March 3, 2015 and US Provisional Application No. 62 / 127,489 filed March 3, 2015. S. C. § 119 (e) claims the benefit of priority, the disclosure of each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.
開示される実施形態は、水中車両設計および制御方法に関する。 The disclosed embodiments relate to underwater vehicle design and control methods.
海洋ロボット工学では、構造物の検査および保守のための高度なシステムを開発するために、多くの研究が、行われている。例えば、そのような車両に関する用途は、いくつか例を挙げると、水中インフラストラクチャ、パイプライン、ダム、油田掘削リグ、ならびに沸騰水型原子炉の内部システムの検査を含む。加えて、これらの検査は、外部および内部構造欠陥に関して試験するために、近接外観検査および接触検査の両方を要求する。港湾セキュリティ等の別の用途では、禁制品の密輸を防止するための船体の注意深い接触超音波走査および視覚映像化が、非常に着目される分野である。現在、人間のダイバーおよびイルカを採用する米国海軍の数百万ドル規模の海洋哺乳類プログラムが、多くの場合、そのような危険な任務を担うために要求される。しかしながら、これらのプログラムは、容易に拡張可能ではない。人間のダイバーへのリスクを低減させ、拡張可能な解決策を見出すために、相当な労力が、現在、海中ロボット工学に注がれている。しかしながら、典型的な浸水面検査ロボットは、浸水面を横断して移動するために、舵輪、磁石、および/または真空吸引の種々の組み合わせを使用する、大きく複雑なシステムである。これらのシステムを制御するために要求される労力は、膨大であり、これらのシステムは、多くの場合、繋留される。したがって、結果として生じる検査プロセスは、緩慢であり、種々のタイプの検出のために要求される離散性を有していない。 In marine robotics, much research has been done to develop advanced systems for inspection and maintenance of structures. For example, applications for such vehicles include inspection of underwater infrastructure, pipelines, dams, oilfield drilling rigs, and boiling water reactor internal systems, to name a few. In addition, these inspections require both proximity visual inspection and contact inspection to test for external and internal structural defects. In other applications such as port security, careful contact ultrasonic scanning and visual visualization of the hull to prevent contraband smuggling is a field of great interest. Currently, the US Navy's multi-million-marine marine mammal program employing human divers and dolphins is often required to take on such dangerous missions. However, these programs are not easily extensible. Substantial effort is currently devoted to undersea robotics to reduce the risk to human divers and find scalable solutions. However, a typical flooded surface inspection robot is a large and complex system that uses various combinations of steering wheels, magnets, and / or vacuum suction to move across the flooded surface. The effort required to control these systems is enormous and these systems are often tethered. Therefore, the resulting inspection process is slow and does not have the discreteness required for various types of detection.
一実施形態では、車両が、部分的楕円形状を有する第1の部分と、平坦であり、第1の部分と関連付けられる第2の部分とを含む、車体を有する。車両はまた、車体の平坦な第2の部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、1つまたはそれを上回るセンサを含む。 In one embodiment, a vehicle has a vehicle body that includes a first portion having a partial oval shape and a second portion that is flat and associated with the first portion. The vehicle also includes one or more sensors configured to sense information from a surface toward which the flat second portion of the vehicle body is oriented.
別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、1つまたはそれを上回るセンサとを有する。センサは、車体の平坦部分から所望の感知範囲を有する。さらに、車体の平坦部分の弦長は、車両が表面に対して側方に移動されると、所望の感知範囲内の表面に対して少なくとも1つの安定した均衡位置をもたらす。 In another embodiment, a vehicle includes a vehicle body including a flat portion and one or more sensors configured to sense information from a surface toward which the flat portion of the vehicle body is oriented. Have. The sensor has a desired sensing range from a flat portion of the vehicle body. Furthermore, the chord length of the flat part of the car body provides at least one stable equilibrium position relative to the surface within the desired sensing range when the vehicle is moved laterally with respect to the surface.
さらに別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分と関連付けられる、少なくとも1つのスラスタとを有する。少なくとも1つのスラスタは、ある直径およびある推力容量を有する。車両はまた、車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、1つまたはそれを上回るセンサを含む。センサは、車体の平坦部分から所望の感知範囲を有する。さらに、少なくとも1つのスラスタの直径は、適切に定寸され、推力容量は、車両が表面に隣接して位置するとき、所望の感知範囲内の少なくとも1つの安定した均衡位置を提供するために十分である。 In yet another embodiment, the vehicle has a vehicle body that includes a flat portion and at least one thruster associated with the flat portion of the vehicle body. At least one thruster has a certain diameter and a certain thrust capacity. The vehicle also includes one or more sensors that are configured to sense information from a surface toward which a flat portion of the vehicle body is oriented. The sensor has a desired sensing range from a flat portion of the vehicle body. Further, the diameter of the at least one thruster is appropriately sized and the thrust capacity is sufficient to provide at least one stable equilibrium position within the desired sensing range when the vehicle is located adjacent to the surface. It is.
別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法が、流体中に浸漬された車両を表面に対して第1の事前選択された距離に位置付けるステップと、車両を第1の事前選択された距離に維持するために、車両に地面効果力を印加するステップとを含む。 In another embodiment, a method of controlling a vehicle immersed in a fluid includes positioning the vehicle immersed in a fluid at a first preselected distance relative to a surface; and Applying a ground effect force to the vehicle to maintain the selected distance.
さらに別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法は、表面に対する地面効果力の第1の安定した均衡距離において車両に地面効果力を印加するステップを含み、したがって、車両が表面に対して変位されると、地面効果力は、これを第1の安定した均衡距離に向かって付勢する。 In yet another embodiment, a method of controlling a vehicle immersed in a fluid includes applying a ground effect force to the vehicle at a first stable equilibrium distance of the ground effect force against a surface, so that the vehicle When displaced relative to the surface, the ground effect force biases it towards the first stable equilibrium distance.
別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法は、車両の平坦部分を表面に向かって配向するステップと、車両を表面に向かって付勢する推力を車両に印加するステップと、表面に対して車両に地面効果力を印加するステップであって、車両の正味重量、車両を表面に向かって付勢する正味推力、および表面と関連付けられる地面効果力は、表面に向かって配向される方向において車両に印加される実質的に正味ゼロの力をもたらす、ステップとを含む。 In another embodiment, a method for controlling a vehicle immersed in a fluid includes directing a flat portion of the vehicle toward a surface and applying a thrust to the vehicle to bias the vehicle toward the surface. Applying a ground effect force to the vehicle against the surface, wherein the net weight of the vehicle, the net thrust force urging the vehicle toward the surface, and the ground effect force associated with the surface are oriented toward the surface Providing a substantially zero force applied to the vehicle in the direction to be applied.
前述の概念および以下に議論される付加的概念は、本開示がこの点に限定されないため、任意の好適な組み合わせにおいて配列され得ることを理解されたい。さらに、本開示の他の利点および新規の特徴が、付随の図と併せて考慮されたとき、以下の種々の非限定的実施形態の発明を実施するための形態から明白となるであろう。 It should be understood that the foregoing concepts and additional concepts discussed below may be arranged in any suitable combination, as the disclosure is not limited in this respect. Furthermore, other advantages and novel features of the present disclosure will become apparent from the following detailed description of various non-limiting embodiments of the invention when considered in conjunction with the accompanying figures.
本明細書および参照することによって組み込まれる文書が、矛盾する、および/または一貫性のない開示を含む場合では、本明細書が、優先されるものとする。参照することによって組み込まれる2つまたはそれを上回る文書が、相互に対して矛盾する、および/または一貫性のない開示を含む場合、より後の発効日を有する文書が、優先されるものとする。 In cases where the present specification and a document incorporated by reference include conflicting and / or inconsistent disclosure, the present specification shall control. If two or more documents incorporated by reference contain discrepancies and / or inconsistent disclosure with respect to each other, the document with the later effective date shall prevail .
付随の図面は、縮尺通りに描かれることを意図されない。図面では、種々の図において例証される、各同じまたはほぼ同じ構成要素は、同様の番号によって表され得る。明確化を目的として、全構成要素が、全図において標識化され得るわけではない。 The accompanying drawings are not intended to be drawn to scale. In the drawings, each identical or nearly identical component that is illustrated in various figures may be represented by a like numeral. For clarity purposes, not all components can be labeled in all figures.
低速度および制御困難性等の接触検査車両の制限に照らして、本発明者らは、構造物内で、および/または着目表面に近接してのいずれかで、非接触モードにおいて動作することが可能な車両と関連付けられる利益を認識した。そのような車両は、検査される表面または面積の表面粗さ、凹凸、もしくは他の可変特性によって妨害されることなく、種々のタイプの検査等の用途のためにより速く、かつより信頼性のある動作を提供し得るが、本明細書に開示される車両が接触モードで動作される事例もまた、想定される。例えば、そのような車両は、港湾セキュリティだけではなく、いくつか例を挙げると、水中インフラストラクチャ、パイプライン、ダム、油田掘削リグ、ならびに沸騰水型原子炉の内部システムの検査および保守等、高速で正確な検査が有利であり得る用途において特に有益であり得る。具体的用途が上記に留意されるが、開示される車両は、任意の数の他の用途に適用され得る。 In light of the limitations of contact inspection vehicles, such as low speed and difficulty of control, we can operate in non-contact mode either within the structure and / or close to the surface of interest. Recognized benefits associated with possible vehicles. Such vehicles are faster and more reliable for applications such as various types of inspection without being disturbed by surface roughness, irregularities, or other variable characteristics of the surface or area being inspected Although cases may be provided, cases are also envisaged in which the vehicle disclosed herein is operated in contact mode. For example, such vehicles are not only for port security, but also for high speed such as inspection and maintenance of underwater infrastructure, pipelines, dams, oilfield drilling rigs and boiling water reactor internal systems, to name a few. Can be particularly beneficial in applications where accurate inspection can be advantageous. Although specific uses are noted above, the disclosed vehicles can be applied to any number of other uses.
表面に対する車両の非接触制御を可能にするために、本発明者らは、表面に対する車両の制御された間隙を維持するための車両幾何学形状および制御方法を開発する必要性を認識した。水中環境において、間隙を調整するための厳密なフィードバック制御を実装することが可能であり得るが、そのような総当たり制御方法は、強力かつ極めて速い応答のアクチュエータを要求する可能性が高いであろう。したがって、使用される任意の適切なフィードバック制御ループに加えて、本発明者らは、車両と検査面との間の流体力学的効果を使用し、検査面に対する車両の移動を自動的に制御することと関連付けられる利益を認識した。すなわち、本発明者らは、以下にさらに詳述されるような種々の方法で車両を制御するために、表面に近接する流体挙動を変化させる、いわゆる「地面効果」力を活用する車両幾何学形状および制御方法を開発した。 In order to enable non-contact control of the vehicle to the surface, the inventors have recognized the need to develop a vehicle geometry and control method to maintain a controlled clearance of the vehicle to the surface. While it may be possible to implement strict feedback control to adjust the gap in an underwater environment, such a brute force control method would likely require a powerful and extremely fast response actuator . Thus, in addition to any suitable feedback control loop used, we use the hydrodynamic effect between the vehicle and the inspection surface to automatically control the movement of the vehicle relative to the inspection surface. Recognized the benefits associated with that. That is, the inventors have used vehicle geometry that utilizes a so-called “ground effect” force that changes the fluid behavior close to the surface in order to control the vehicle in various ways as further detailed below. The shape and control method were developed.
地面効果という用語は、車両が表面に近接近するとき、これが被る力を生成する現象を説明するために使用されるが、地面効果という語句は、車両が地面に近接していることに起因して力を生成している状況のみに限定されないことを理解されたい。代わりに、地面効果、地面効果力という語句、または任意の関連する語句が、限定ではないが、いくつか例を挙げると、地面、海底、川底、船体、パイプの内部、ならびに浸漬構造物(例えば、ダムおよび油田掘削リグ支持)を含む、任意の表面に近接する車両の動作に適用可能である。 The term ground effect is used to describe the phenomenon that produces the force it incurs when the vehicle is close to the surface, but the phrase ground effect is due to the vehicle being close to the ground. It should be understood that this is not limited to situations where force is generated. Instead, the terms ground effect, ground effect power, or any related term include, but are not limited to, the ground, the seabed, the riverbed, the hull, the interior of pipes, and submerged structures (for example, Applicable to the operation of vehicles in close proximity to any surface, including dams and oilfield drilling rig supports.
いくつかの実施形態では、種々の方法で車両に印加される地面効果力は、車両を表面に対して所望の距離に自己安定化させるために操作されることができる。例えば、本明細書に説明される実施形態および実施例は、地面効果と関連付けられる競合する吸引力および揚力が、車両に印加される他の力とともに、安定した正味ゼロの力または均衡位置を表面に対する1つまたはそれを上回る距離に生成するように平衡され得る方法を例証する。これらの安定した均衡位置における表面に対する距離による力の変化に起因して、車両が安定した正味ゼロの力の位置から離れて変位されるにつれて、正味の力は、変化し、車両を安定した位置に向かって戻すように付勢する。例えば、一実施形態では、安定した均衡位置より下では、揚力が、優勢になり始め、車両を表面から離れて上向きに、かつ安定した均衡位置に向かって付勢する。対応して、安定した均衡位置より上では、吸引力が、優勢になり始め、車両を表面および安定した均衡位置に向かって戻すように下向きに付勢する。したがって、地面効果力は、車両と着目表面との間の間隙を制御するために、他の制御方法の代わりに、またはそれと組み合わせて使用され得る、自己安定化制御方法を実装するために利用されることができる。この効果に照らして、いくつかの実施形態では、表面に対して車両に印加される正味の力は、表面への距離が増加するにつれて減少し得る(すなわち、吸引がより優勢になる)。当然ながら、距離に対するこの力の変化の絶対値は、いくつか例を挙げると、車両サイズ、速度、印加される推力、間隙距離、および所望の用途に依存するであろう。したがって、所望の用途のための任意の適切な範囲の値が、使用され得ることを理解されたい。 In some embodiments, ground effect forces applied to the vehicle in various ways can be manipulated to self-stabilize the vehicle at a desired distance relative to the surface. For example, the embodiments and examples described herein show that competing attractive and lift forces associated with ground effects, along with other forces applied to the vehicle, surface a stable net zero force or equilibrium position. FIG. 4 illustrates a method that can be balanced to produce one or more distances relative to. Due to the force change with distance to the surface at these stable equilibrium positions, as the vehicle is displaced away from the stable net zero force position, the net force changes and the vehicle is moved to a stable position. Energize to return toward. For example, in one embodiment, below a stable equilibrium position, lift begins to dominate, urging the vehicle upward away from the surface and toward the stable equilibrium position. Correspondingly, above the stable equilibrium position, the suction force begins to dominate and urges the vehicle downward to return to the surface and the stable equilibrium position. Thus, ground effect forces are utilized to implement self-stabilizing control methods that can be used in place of or in combination with other control methods to control the gap between the vehicle and the surface of interest. Can. In light of this effect, in some embodiments, the net force applied to the vehicle against the surface may decrease as the distance to the surface increases (ie, suction becomes more prevalent). Of course, the absolute value of this change in force with distance will depend on vehicle size, speed, applied thrust, gap distance, and desired application, to name a few. Thus, it should be understood that any suitable range of values for the desired application can be used.
正味の力対間隙距離の負の変化が、上記の安定した均衡点に関して上記に留意されるが、車両は、正味の力対間隙距離の変化が正である領域において、動的および/または静的のいずれかで動作され得ることを理解されたい。そのような動作は、単純に、上記に説明されるような自己安定化ではないであろう。 Although a negative change in net force vs. gap distance is noted above with respect to the stable equilibrium point above, the vehicle may be dynamic and / or static in areas where the change in net force vs. gap distance is positive. It should be understood that it can be operated on any of the following. Such an operation would simply not be self-stabilizing as described above.
種々のタイプの地面効果力が、車両に印加され、表面に対する車両の移動および位置付けを制御することに役立ち得る。さらに、特定の動作モードに応じて、これらのタイプの地面効果力のうちのいずれか1つが、単独で、または他のタイプの地面効果力ならびに車両に作用する他の力との組み合わせのいずれかにおいて使用され、車両の位置付けおよび運動を制御し得る。具体的タイプの地面効果力が、以下にさらに詳述される。 Various types of ground effect forces can be applied to the vehicle to help control the movement and positioning of the vehicle relative to the surface. Further, depending on the particular mode of operation, any one of these types of ground effect forces can be either alone or in combination with other types of ground effect forces as well as other forces acting on the vehicle. Used to control vehicle positioning and movement. Specific types of ground effect forces are described in further detail below.
一実施形態では、車両は、表面に対する車両の側方運動に起因して、地面効果力を生成し得る。そのような実施形態では、理論によって拘束されるわけではないが、表面に対する車両の側方移動(すなわち、表面に略平行)は、車両の下の流体の流動を、流体を通した車両の速度と比較して加速させる。これは、第1の距離において吸引を引き起こし、チョーキングに起因して第2のより近接した距離において表面からの反発を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、自己安定化均衡点が、これらの距離の間に位置し得る。 In one embodiment, the vehicle may generate ground effect forces due to the lateral movement of the vehicle relative to the surface. In such embodiments, without being bound by theory, lateral movement of the vehicle relative to the surface (ie, substantially parallel to the surface) causes the flow of fluid under the vehicle to affect the velocity of the vehicle through the fluid. Accelerate compared to. This can cause suction at the first distance and rebound from the surface at the second closer distance due to choking. In some embodiments, self-stabilizing equilibrium points may be located between these distances.
別の実施形態では、車両は、着目表面に向かって配向されるように構成される、1つまたはそれを上回るスラスタを含み得る。スラスタの直径、印加される推力、および表面からの距離に応じて、1つまたはそれを上回る噴流が、種々の地面効果を生成し得る。例えば、スラスタからの流体の噴流は、車両と表面との間に流体の側方流動を生成し、車両を表面に向かって吸引する低圧区域を引き起こす、壁面効果を生成し得る。噴流はまた、車両に対する吸引力もまた生成する、ベンチュリ効果としても公知である、渦を生成し得る。また、スラスタからの通常の推力に加えて、車両に向かって表面から反射される噴流に対応する観察される噴水効果に起因して、車両に印加される上向き力も存在する。これらの種々の効果が優勢である領域、およびそれらが車両を制御するためにともに使用され得る方法が、以下にさらに詳細に説明される。 In another embodiment, the vehicle may include one or more thrusters configured to be oriented toward the surface of interest. Depending on the diameter of the thruster, the applied thrust, and the distance from the surface, one or more jets can produce various ground effects. For example, a jet of fluid from a thruster can create a wall effect that creates a lateral flow of fluid between the vehicle and the surface, causing a low pressure area that sucks the vehicle toward the surface. The jet can also generate vortices, also known as the venturi effect, which also generate a suction force against the vehicle. In addition to the normal thrust from the thruster, there is also an upward force applied to the vehicle due to the observed fountain effect corresponding to the jet reflected from the surface towards the vehicle. The areas where these various effects predominate, and how they can be used together to control a vehicle, are described in further detail below.
任意の適切に成形および定寸された車両が、説明されるシステムおよび方法と併用され得るが、本発明者らは、特定の車両形状を使用することと関連付けられる利益を認識した。例えば、いくつかの実施形態では、内部が浸水していないとき、圧縮下の車両に印加される応力を低減させることが、望ましくあり得る。したがって、平滑な曲率の変化を伴う平滑な表面が、使用され得る。一実施例では、球体が、使用され得る。しかしながら、球体は、制御および安定性の問題をもたらし得る。したがって、別の実施形態では、5自由度を使用する移動のためにより好適である、楕円体が、使用され得る。加えて、球体および楕円体等の形状は、有益なこととして、特定のサイズの車両のために体積対表面積比を最大限にすることに役立つ。言及される楕円体は、限定ではないが、1:2、1.4:1.65、もしくは任意の他の適切な比率の間である、またはそれらに等しい長軸対短軸の比率を含む、任意の所望の縦横比を有し得る。加えて、楕円体の一方の半分が第1の縦横比を有し、楕円体の他方の対向する半分が異なる縦横比を有し得る、非対称楕円体が、使用され得、これは、車両が被る地面効果を増進することに役立ち得る。種々の配列の球体および楕円体が上記に言及されたが、本開示が本方式に限定されないため、車両は、任意の所望の形状を有し得ることを理解されたい。 Although any suitably shaped and dimensioned vehicle can be used in conjunction with the described systems and methods, the inventors have recognized the benefits associated with using a particular vehicle shape. For example, in some embodiments, it may be desirable to reduce the stress applied to a vehicle under compression when the interior is not submerged. Thus, a smooth surface with a smooth curvature change can be used. In one example, a sphere can be used. However, the sphere can introduce control and stability problems. Thus, in another embodiment, an ellipsoid may be used, which is more suitable for movement using 5 degrees of freedom. In addition, shapes such as spheres and ellipsoids beneficially help maximize the volume to surface area ratio for a particular size vehicle. Ellipsoids mentioned include, but are not limited to, a ratio of major axis to minor axis that is between or equal to 1: 2, 1.4: 1.65, or any other suitable ratio. Can have any desired aspect ratio. In addition, an asymmetric ellipsoid may be used, where one half of the ellipsoid has a first aspect ratio and the other opposite half of the ellipsoid may have a different aspect ratio, which allows the vehicle to It can help to increase the ground effect suffered. While various arrangements of spheres and ellipsoids have been mentioned above, it should be understood that the vehicle may have any desired shape as the present disclosure is not limited to this scheme.
特定の用途に応じて、車両は、任意の所望の最大外寸を有し得る。例えば、一実施形態では、車両は、5インチ〜60インチ、24インチ〜48インチ、もしくは所望の用途のための任意の他の適切なサイズ範囲間である、またはそれらに等しい最大外寸を有し得る。したがって、約数十ヤードまたはフィートの寸法を伴う大きい車両を含む、上記に留意されるものよりも小さいものおよび大きいものの両方である外寸を有する車両もまた、想定されることを理解されたい。 Depending on the particular application, the vehicle may have any desired maximum outer dimensions. For example, in one embodiment, the vehicle has a maximum outer dimension that is between or equal to 5 inches to 60 inches, 24 inches to 48 inches, or any other suitable size range for the desired application. Can do. Thus, it should be understood that vehicles having outer dimensions that are both smaller and larger than those noted above are also envisioned, including large vehicles with dimensions of about a few tens of yards or feet.
車両の全体的形状に加えて、本発明者らは、着目表面に向かって配向され得る車両車体上への平坦部分の追加を認識した。いくつかの実施形態では、車体のこの平坦部分は、観察される地面効果力を増進し、車両が流体を通して移動する際のその安定性を増進し、および/または表面検査を実行するために表面に対してセンサを位置付けることに役立つように定寸および成形され得る。特定の実施形態に応じて、車体の平坦部分は、車体の平坦部分に向かって配向される車体の投影面積の10%〜100%、20%〜100%、30%〜100%、50%〜100%、20%〜80%、もしくは任意の他の適切な範囲の割合の間である、またはそれらに等しい面積を有し得る。例えば、車体の関連付けられる楕円部分の投影面積に等しい面積を有する、平坦車体部分に対応する半分の楕円体形状は、マッピング用途において有用であり得るセンサのための比較的に広い面積を提供し得、車両は、地面効果力を使用して海底面に対して移動されながら、車体の平坦部分と関連付けられるより多い数のセンサを用いてその面積をマッピングする。 In addition to the overall shape of the vehicle, the inventors have recognized the addition of a flat portion on the vehicle body that can be oriented toward the surface of interest. In some embodiments, this flat portion of the vehicle body enhances the observed ground effect, enhances its stability as the vehicle moves through the fluid, and / or performs surface inspection to perform surface inspection. Can be sized and shaped to help position the sensor relative to. Depending on the particular embodiment, the flat part of the car body is 10% to 100%, 20% to 100%, 30% to 100%, 50% to the projected area of the car body oriented towards the flat part of the car body. It may have an area that is between or equal to 100%, 20% -80%, or any other suitable range of percentages. For example, a half ellipsoid shape corresponding to a flat body part having an area equal to the projected area of the associated ellipse part of the car body may provide a relatively large area for a sensor that may be useful in mapping applications. The vehicle maps its area with a larger number of sensors associated with the flat part of the car body as it is moved relative to the sea floor using ground effect forces.
本明細書に説明される車両車体および種々の他の構成要素は、任意の適切な材料から作製され得ることを理解されたい。例えば、車体は、種々の金属、ポリマー、セラミック、および/またはこれらの材料の組み合わせから作製され得る。加えて、いくつかの実施形態では、着目表面に向かって配向されるように意図される車体の平坦部分は、エラストマ(例えば、ゴム、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリウレタン等)等の弾性材料から作製され得る。理論によって拘束されるわけではないが、そのような表面は、車両が接触および/またはスタンドオフモードのいずれかにおいて、凹凸を含む表面を横断する際、その応答を平滑化することに役立ち得る。 It should be understood that the vehicle body and various other components described herein can be made from any suitable material. For example, the car body can be made from various metals, polymers, ceramics, and / or combinations of these materials. In addition, in some embodiments, the flat portion of the vehicle body intended to be oriented toward the surface of interest is an elastic material such as an elastomer (eg, rubber, polyisoprene, polybutadiene, polyisobutylene, polyurethane, etc.) Can be made from While not being bound by theory, such a surface can help smooth the response of the vehicle as it traverses a surface containing irregularities in either contact and / or standoff mode.
表面に対する距離を維持することが可能な車両は、いくつかの用途において適用可能であり得るが、そのような車両は、種々のタイプの検査および/または保守を実行するために使用されるときに特に有益であり得る。例えば、上記に留意されるように、いくつかの実施形態では、車両は、船体、海底の底面、または任意の他の着目物体もしくは場所等の表面についての情報を感知するための1つまたはそれを上回るセンサを含み得る。使用され得る適切なタイプのセンサは、限定ではないが、超音波センサ、渦電流検出器、磁気センサ、カメラ、光学センサ、温度センサ、圧力センサ、PHセンサ、濁度センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、線形センサアレイ、フェーズドセンサアレイ、ならびに任意の他の適切なタイプおよび/または配列のセンサを含む。 A vehicle capable of maintaining a distance to a surface may be applicable in some applications, but such a vehicle is used when performing various types of inspection and / or maintenance. It can be particularly beneficial. For example, as noted above, in some embodiments, the vehicle may include one or more for sensing information about the surface, such as the hull, the bottom of the seabed, or any other object or location of interest. May include more sensors. Suitable types of sensors that can be used include, but are not limited to, ultrasonic sensors, eddy current detectors, magnetic sensors, cameras, optical sensors, temperature sensors, pressure sensors, PH sensors, turbidity sensors, oxygen sensors, carbon dioxide Includes sensors, linear sensor arrays, phased sensor arrays, and any other suitable type and / or arrangement of sensors.
いくつかの実施形態では、使用されるセンサのタイプに応じて、センサは、表面から情報を感知するとき、その中にセンサを維持するために望ましい所望の感知範囲を有し得る。1つのそのような実施形態では、超音波センサ等のセンサは、超音波の波長に関連する好ましい感知範囲を有する。具体的には、センサが、表面から離れて4分の1波長の奇数倍に配置されるとき、重複する波は、トランスデューサにおいて同相で加算され、信号最大値を生成する。対照的に、センサが、4分の1波長の偶数倍に配置されるとき、波は、打ち消し合い、信号は、その最小値である。したがって、いくつかの実施形態では、超音波センサに関する感知範囲は、4分の1波長の奇数倍±0.5であり得る。1つのそのような実施例では、300KHzの超音波トランスデューサが、水中で4mmの波長(cw=1,500m/秒)を有し、これは、1mmの4分の1波長に変換される。したがって、最大信号は、表面から1×n mmにおいて取得され、式中、nは、奇数である。 In some embodiments, depending on the type of sensor used, the sensor may have a desired sensing range that is desirable to maintain the sensor therein when sensing information from the surface. In one such embodiment, a sensor, such as an ultrasonic sensor, has a preferred sensing range that is related to the wavelength of the ultrasonic wave. Specifically, when the sensor is placed at an odd multiple of a quarter wavelength away from the surface, the overlapping waves are summed in-phase at the transducer to produce a signal maximum. In contrast, when the sensor is placed at an even multiple of a quarter wavelength, the waves cancel each other and the signal is at its minimum. Thus, in some embodiments, the sensing range for an ultrasonic sensor may be an odd multiple of a quarter wavelength ± 0.5. In one such embodiment, a 300 KHz ultrasonic transducer has a wavelength of 4 mm in water (c w = 1,500 m / sec), which is converted to a quarter wavelength of 1 mm. Therefore, the maximum signal is obtained at 1 × n mm from the surface, where n is an odd number.
前述の概念に基づいて、一実施形態では、流体中に浸漬された車両が、少なくとも部分的に、車両を船体または海底等の表面に対して事前選択された距離に位置付けることによって制御され得る。いくつかの事例では、事前選択された距離は、表面に対する車両の安定した均衡距離に対応し得る。いったん適切に位置付けられると、1つまたはそれを上回る地面効果力が、車両に印加され、着目表面に対する事前選択された距離において車両に印加される正味ゼロの力を生成することによって、車両を第1の事前選択された距離に維持し得る。例えば、車両に印加される種々のタイプの地面効果力、車両の正味重量(すなわち、実際の重量から浮力を差し引いたもの)が、関連付けられるスラスタ等の源から車両に印加される任意の他の力とともに、表面に向かって配向される方向において合計ゼロになり得る。車両が表面に対して事前選択された距離から離れて変位されると、地面効果力は、変化し、車両を表面に対する所望の事前選択された距離に向かって戻すように自動的に付勢し得る。以下により詳細に説明されるように、地面効果力は、表面に対する車両の側方移動、表面に衝突する噴流、および/またはその両方の組み合わせを使用して生成され得る。 Based on the foregoing concept, in one embodiment, a vehicle immersed in fluid may be controlled, at least in part, by positioning the vehicle at a preselected distance relative to a surface such as a hull or seabed. In some cases, the preselected distance may correspond to a stable equilibrium distance of the vehicle relative to the surface. Once properly positioned, one or more ground effect forces are applied to the vehicle, generating a net zero force that is applied to the vehicle at a preselected distance to the surface of interest. One preselected distance may be maintained. For example, various types of ground effect applied to the vehicle, the net weight of the vehicle (ie, actual weight minus buoyancy) applied to the vehicle from a source such as an associated thruster With force, there can be a total of zero in the direction oriented towards the surface. As the vehicle is displaced away from the preselected distance relative to the surface, the ground effect force changes and automatically urges the vehicle back toward the desired preselected distance relative to the surface. obtain. As described in more detail below, ground effect forces can be generated using lateral movement of the vehicle relative to the surface, jets impinging on the surface, and / or a combination of both.
ここで図に目を向けると、いくつかの非限定的実施形態が、さらに詳細に説明される。しかしながら、具体的実施形態が説明されるが、以下に説明される種々の特徴および概念は、本開示が本明細書に説明されるそれらの実施形態のみに限定されないため、任意の適切な組み合わせにおいて使用され得ることを理解されたい。 Turning now to the figures, some non-limiting embodiments are described in further detail. However, although specific embodiments are described, the various features and concepts described below are not limited to those embodiments described herein, and thus are in any suitable combination. It should be understood that it can be used.
図1A−2Cは、水等の流体中に潜行可能である車両2の実施形態の種々の概略図を描写する。車両は、第1の部分4と、第2の平坦部分6とを含む、車体を含む。図に例証されるように、車体の第1の部分は、部分的楕円体、球体、または車両の平坦底面を形成する平坦部分を伴う他の適切な形状等の緩やかに湾曲した構造であり得る。しかしながら、本開示がそのように限定されないため、緩やかに湾曲しない形状および特徴を含む形状もまた、想定される。加えて、特定の用途および/または設計基準に応じて、車両車体の平坦部分は、車体の対応する部分の投影面積の任意の適切な割合である面積を有し得る。 1A-2C depict various schematic views of an embodiment of a vehicle 2 that can be submerged in a fluid such as water. The vehicle includes a vehicle body including a first portion 4 and a second flat portion 6. As illustrated in the figure, the first portion of the vehicle body may be a gently curved structure, such as a partial ellipsoid, a sphere, or other suitable shape with a flat portion that forms a flat bottom surface of the vehicle. . However, since the present disclosure is not so limited, shapes that include shapes and features that are not gently curved are also envisioned. In addition, depending on the particular application and / or design criteria, the flat portion of the vehicle body may have an area that is any suitable percentage of the projected area of the corresponding portion of the body.
車両の操縦を制御するために、いくつかの実施形態では、複数のスラスタ8が、車体4の第1の部分の周囲に分散される。これらのスラスタは、任意の数の所望の方法において配向され、種々の方向における推力を提供し得る。例えば、スラスタは、車両の平坦底部部分6に対して垂直に下向きに、および/または側方に配向される方向において推力を提供するように位置付けられ、配向され得る。当然ながら、車両に垂直および側方の両方の推力成分を提供する角度に配向されるスラスタもまた、想定される。さらに、いくつかの事例では、これらのスラスタは、その推力を、車両の重心を通過する軸に沿って車両に印加し得る。理論によって拘束されるわけではないが、これは、操縦中に車両に印加される望ましくないモーメントを排除または低減させることに役立ち得る。 In order to control the steering of the vehicle, in some embodiments, a plurality of thrusters 8 are distributed around the first portion of the vehicle body 4. These thrusters can be oriented in any number of desired ways to provide thrust in various directions. For example, the thruster may be positioned and oriented to provide thrust in a direction oriented vertically downward and / or laterally relative to the flat bottom portion 6 of the vehicle. Of course, thrusters oriented at angles that provide both vertical and lateral thrust components to the vehicle are also envisioned. Further, in some cases, these thrusters may apply their thrust to the vehicle along an axis that passes through the vehicle's center of gravity. Without being bound by theory, this can help eliminate or reduce undesirable moments applied to the vehicle during maneuvering.
上記に留意される車体の楕円部分上に位置するスラスタに加えて、いくつかの実施形態では、1つまたはそれを上回るスラスタはまた、車両車体の平坦部分6と関連付けられ、車体の平坦底部部分に対して上向きに指向される推力を提供し得る。例えば、中央スラスタ10が、平坦部分の略中心に位置し得、平坦面に垂直に配向される推力を印加し得る。加えて、複数のスラスタ12も同様に、車両の平坦部分の周囲に分散され得る。いくつかの事例では、複数のスラスタは、車両の平坦部分の周囲に、および/または平坦部分の周辺の周囲に均一に分散される。図に描写されるように、1つのそのような実施形態では、複数のスラスタは、中央スラスタの対向する側上に位置する2つまたはそれを上回るスラスタを含む。理論によって拘束されるわけではないが、これは、動作中に車両に印加される推力を平衡させることに役立ち得る。しかしながら、スラスタが不均一な様式で、または他の場所に配列される実施形態もまた、想定される。さらに、以下により詳細に説明されるように、平坦底部車体部分と関連付けられるスラスタは、所望の車両制御に応じて、車体の平坦部分に対して垂直に配向されるか、または角度付けられるかのいずれかであり得る。 In addition to the thrusters located on the elliptical portion of the vehicle body noted above, in some embodiments, one or more thrusters are also associated with the flat portion 6 of the vehicle body and the flat bottom portion of the vehicle body. Can provide thrust directed upwards. For example, the central thruster 10 may be positioned approximately at the center of the flat portion and may apply a thrust that is oriented perpendicular to the flat surface. In addition, the plurality of thrusters 12 can be similarly distributed around the flat portion of the vehicle. In some instances, the plurality of thrusters are evenly distributed around the flat portion of the vehicle and / or around the periphery of the flat portion. As depicted in the figure, in one such embodiment, the plurality of thrusters includes two or more thrusters located on opposite sides of the central thruster. While not being bound by theory, this can help balance the thrust applied to the vehicle during operation. However, embodiments in which the thrusters are arranged in a non-uniform manner or elsewhere are also envisioned. Further, as will be described in more detail below, the thrusters associated with the flat bottom car body portion are oriented vertically or angled with respect to the car body flat portion, depending on the desired vehicle control. It can be either.
明確にするために、上記の説明に留意され、図に例証されるスラスタは、スラスタ出口に対応する。しかしながら、描写される構造は、スラスタ出口または入口のいずれかに対応し得、これは、再び、本開示がそのように限定されないため、車両の任意の適切な部分上に配置され得ることを理解されたい。例えば、一実施形態では、車両は、主要な進行方向に対して、車両の上部、底部、前部、および後部上に配置される複数のスラスタ出口を含み得る。対応して、関連付けられる1つまたはそれを上回るスラスタ入口が、車両の側上に配置され得る。但し、スラスタ入口および出口の両方の他の場所もまた、想定されることに留意されたい。さらに、車両の内部が使用中に浸水する事例では、車両は、車両の外部に形成される任意のスラスタ入口を含み得る、または含まない場合がある。 For clarity, the thrusters noted in the above description and illustrated in the figures correspond to thruster exits. However, the depicted structure may correspond to either a thruster outlet or an inlet, which again understands that the present disclosure is not so limited and can be placed on any suitable part of the vehicle I want to be. For example, in one embodiment, the vehicle may include a plurality of thruster outlets disposed on the top, bottom, front, and rear of the vehicle relative to the main direction of travel. Correspondingly, one or more associated thruster inlets can be arranged on the side of the vehicle. However, it should be noted that other locations for both the thruster inlet and outlet are also envisioned. Further, in cases where the interior of the vehicle is flooded during use, the vehicle may or may not include any thruster inlet formed outside the vehicle.
本明細書に説明される実施形態では、スラスタは、車両の運動を制御するために、車両に推力を印加することが可能な任意の適切なデバイスを指し得る。適切なタイプのスラスタは、限定ではないが、いくつか例を挙げると、圧力噴流、操縦噴流、トンネルスラスタ、ならびにプロペラを含む。噴流または他の類似するデバイスが使用される事例では、任意の適切な油圧動力源が、噴流に動力供給するために使用され、回転ポンプ、遠心ポンプ、ギヤポンプ、往復動ポンプ、タービン、ならびに任意の数の他のタイプのデバイスを含み得る。比較的に一定の、またはより制御された推力を提供することが望ましくあり得る事例では、アキュムレータ等の圧力リザーバが、油圧源と噴流からの出口との間に接続され得る。加えて、個々の弁および/または電源が、各スラスタと関連付けられ、スラスタの個々のおよび/または群化された制御を提供し得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、1つまたはそれを上回る圧力分配システムが、圧力源を複数のスラスタと流体結合するために使用され得、これは、車両のサイズおよび複雑性を低減させることに役立ち得る。 In the embodiments described herein, a thruster may refer to any suitable device that can apply thrust to the vehicle to control the movement of the vehicle. Suitable types of thrusters include, but are not limited to, pressure jets, steering jets, tunnel thrusters, and propellers, to name a few. In cases where a jet or other similar device is used, any suitable hydraulic power source can be used to power the jet, including rotary pumps, centrifugal pumps, gear pumps, reciprocating pumps, turbines, and any A number of other types of devices may be included. In cases where it may be desirable to provide a relatively constant or more controlled thrust, a pressure reservoir such as an accumulator may be connected between the hydraulic source and the outlet from the jet. In addition, individual valves and / or power supplies may be associated with each thruster to provide individual and / or grouped control of the thrusters. However, in some embodiments, one or more pressure distribution systems may be used to fluidly couple a pressure source with multiple thrusters, which reduces vehicle size and complexity. Can be helpful.
先に言及されたように、車両は、1つまたはそれを上回るセンサを含み得る。加えて、平坦車体部分は、着目表面から情報を感知するためのセンサを位置付けるために、特に有益な場所であり得る。例えば、平坦面は、表面を検査するための種々のセンサを配置するためのより広い面積を提供し、より大きいセンサ、センサアレイ、および/またはより多くの数のセンサの使用を可能にする。図1Cおよび2Cに示されるように、個々のセンサ14aは、車体の平坦部分の周囲に分散され得る。代替として、または複数の個々のセンサに加えて、車両はまた、センサのアレイ14bを含み得る。描写される実施形態では、センサのアレイは、少なくとも部分的に、平坦車体部分の幅を横断して延在する。センサが配置されるこの増加された面積および/または長さは、センサの検出可能な閾値、感知された信号の忠実度、および/または表面を検査するときの単一通過中にセンサによって走査される面積を増加させ得る。描写される実施形態では、センサアレイは、車両の主要な進行方向に略垂直である方向に延在するが、アレイが車両の主要な進行方向に略平行である方向に延在する実施形態もまた、想定される。センサを収容するためのより広い面積に加えて、平坦車体部分の使用は、表面を検査するとき、2つまたはそれを上回るセンサ、および/または送信機および関連付けられる受信機が、同一面に位置することを可能にする。これは、限定ではないが、平坦車体部分に対応する同一面に位置する3つの距離のセンサを使用して、表面上の特定の特徴までの距離を三角測量することを含む、種々の用途において有益であり得る。 As previously mentioned, the vehicle may include one or more sensors. In addition, the flat body part may be a particularly useful place for positioning sensors for sensing information from the surface of interest. For example, a flat surface provides a larger area for placing various sensors for inspecting the surface, allowing the use of larger sensors, sensor arrays, and / or a greater number of sensors. As shown in FIGS. 1C and 2C, the individual sensors 14a may be distributed around a flat portion of the vehicle body. Alternatively, or in addition to a plurality of individual sensors, the vehicle may also include an array 14b of sensors. In the depicted embodiment, the array of sensors extends at least partially across the width of the flat body portion. This increased area and / or length in which the sensor is located is scanned by the sensor during a single pass when inspecting the sensor's detectable threshold, sensed signal fidelity, and / or surface. The area that can be increased. In the depicted embodiment, the sensor array extends in a direction that is generally perpendicular to the main direction of travel of the vehicle, but embodiments in which the array extends in a direction that is generally parallel to the main direction of travel of the vehicle are also possible. Also envisioned. In addition to the larger area for housing the sensor, the use of a flat body part allows two or more sensors and / or transmitters and associated receivers to be in the same plane when inspecting the surface. Make it possible to do. In various applications, including, but not limited to, triangulating the distance to a particular feature on the surface using three distance sensors located in the same plane corresponding to the flat body part Can be beneficial.
図3−5は、部分的楕円形状を有する第1の部分4と、関連付けられる第2の平坦部分6とを含む、車両車体の底面図および側面図を示す。車体の部分的楕円部分は、原則的半径a1、b1、およびc1を有する。図に見られるように、平坦車体部分は、楕円体の一部が除去され、原則的半径a2およびb2を伴う平坦楕円体を生成した箇所に対応する。図4および5によって例証されるように、車体の平坦部分は、平坦車体部分に平行な楕円形状の中心面の上方または下方のいずれかに位置し得る。したがって、特定の実施形態に応じて、平坦車体部分から楕円形状の対向する頂点までの距離c2は、部分的楕円形状の原則的半径c1を下回る、それを上回る、またはそれに等しくあり得る。対応して、図4ではπa2b2である、平坦部分の面積は、平坦車体部分に向かって配向される車体の第1の部分の投影面積を下回る、またはそれに等しくあり得、これは、再び、図4ではπa1b1に対応する。しかしながら、図5に示されるように、車体の平坦部分が、部分的楕円形状の中心面またはその上方に位置するとき、車体の第1の部分の投影面積は、平坦車体部分の面積に等しい。したがって、上記に留意される面積の関係に加えて、車体の第1の部分の対向する側と平坦車体部分との間の距離(すなわち、c2)は、車体の第1の部分に対応する楕円体の対応する幅(すなわち、2c1)の10%〜80%、10%〜70%、10%〜60%、10%〜50%、もしくは任意の他の適切な割合の間である、またはそれらに等しくあり得る。上記に留意される面積および距離は、楕円形状に関連したが、これらの概念は、本開示がそのように限定されないため、任意の他の適切な形状に適用され得る。 FIGS. 3-5 show a bottom view and a side view of the vehicle body including a first portion 4 having a partially elliptical shape and an associated second flat portion 6. The partial elliptical part of the car body has principal radii a 1 , b 1 and c 1 . As can be seen in the figure, the flat body part corresponds to the place where a part of the ellipsoid has been removed, producing a flat ellipsoid with principal radii a 2 and b 2 . As illustrated by FIGS. 4 and 5, the flat portion of the vehicle body may be located either above or below the elliptical center plane parallel to the flat vehicle body portion. Thus, depending on the particular embodiment, the distance c 2 from the flat body part to the opposing vertex of the oval shape may be less than, greater than or equal to the principle radius c 1 of the partial oval shape. Correspondingly, the area of the flat part, which is πa 2 b 2 in FIG. 4, may be less than or equal to the projected area of the first part of the car body oriented towards the flat car body part, Again, FIG. 4 corresponds to πa 1 b 1 . However, as shown in FIG. 5, when the flat portion of the vehicle body is located at or above the center plane of the partially elliptical shape, the projected area of the first portion of the vehicle body is equal to the area of the flat vehicle body portion. Therefore, in addition to the area relationship noted above, the distance between the opposite side of the first portion of the vehicle body and the flat vehicle body portion (ie, c 2 ) corresponds to the first portion of the vehicle body. Between 10% to 80%, 10% to 70%, 10% to 60%, 10% to 50%, or any other suitable percentage of the corresponding width of the ellipsoid (ie 2c 1 ), Or they can be equal. Although the areas and distances noted above are related to elliptical shapes, these concepts can be applied to any other suitable shape, as the disclosure is not so limited.
図6および7は、車両の真下に位置する表面100の対向する部分に略平行である側方方向において表面を横断する、車両2を例証する。車両は、ある望ましい速度Vにおいて表面にわたって横断される。図に描写されるように、表面は、突起、物体、溶接シーム、およびその特定の表面と関連付けられる他の可能性として考えられる特徴等の任意の数の凹凸102を含み得る。代替として、車両が側方に横断している表面は、図7に示されるように、船体に関して予期され得るように湾曲し得る。そのような実施形態では、車両は、車両に対向する車体の湾曲部分に対して側方に、すなわち、略平行に移動すると見なされ得、これが横断している表面の曲率に従って非線形経路を継続し得る。いずれの場合も、表面の場所におけるこれらの変動および/または表面上に位置する凹凸は、車両の底面と車両が側方に横断している着目表面との間の距離hに影響を及ぼす。さらに、表面に対する情報を感知するためにセンサが使用されるとき等、いくつかの用途では、表面場所におけるこれらの変化および/または凹凸に遭遇されるとき、車両の底面と検査されている表面との間のこの距離を制御し、センサが表面からの情報を適切に感知することが可能であることを確実にすることが、望ましくあり得る。この距離を制御するための種々の方策および車両構成が、以下にさらに詳述される。 6 and 7 illustrate the vehicle 2 traversing the surface in a lateral direction that is generally parallel to opposing portions of the surface 100 located directly below the vehicle. The vehicle is traversed over the surface at some desired speed V. As depicted in the figure, the surface may include any number of irregularities 102, such as protrusions, objects, weld seams, and other possible features associated with that particular surface. Alternatively, the surface that the vehicle is traversing to the side can be curved as expected for the hull, as shown in FIG. In such an embodiment, the vehicle may be considered to move laterally, i.e., substantially parallel to the curved portion of the vehicle body facing the vehicle, and continue a non-linear path according to the curvature of the surface it traverses. obtain. In any case, these variations in surface location and / or irregularities located on the surface affect the distance h between the bottom surface of the vehicle and the surface of interest that the vehicle crosses laterally. Further, in some applications, such as when a sensor is used to sense information to a surface, when these changes in surface location and / or irregularities are encountered, the bottom surface of the vehicle and the surface being inspected It may be desirable to control this distance between the sensors to ensure that the sensor can properly sense information from the surface. Various strategies and vehicle configurations for controlling this distance are described in further detail below.
図6および7に描写される実施形態では、車両2は、テザーを含んでおらず、これは、多くの場合、検査中に遭遇されるもの等の混雑した環境において、車両が絡む機会を低減させることに役立ち得る。加えて、テザーの欠如はまた、検査面と接触する従来の繋留された車両と比較して、車両のより容易な操縦、および、粗いまたは不規則な表面に対する車両のより速い走査速度をもたらし得る。しかしながら、繋留された車両が使用される実施形態もまた、想定される。 In the embodiment depicted in FIGS. 6 and 7, the vehicle 2 does not include a tether, which often reduces the chance of the vehicle getting tangled in a crowded environment, such as that encountered during inspection. Can help to make it. In addition, the lack of tethers can also result in easier vehicle handling and faster vehicle scanning speeds against rough or irregular surfaces compared to conventional tethered vehicles in contact with the inspection surface. . However, embodiments where a moored vehicle is used are also envisaged.
先に留意されたように、表面に対する車両の側方移動は、地面力を生成するための1つの可能性として考えられる方法である。さらに、車両に印加される地面力の平衡は、車両と地面との間の距離hに関連する。例えば、理論によって拘束されるわけではないが、表面の存在に起因する車両に対する流体力は、特有の間隙比ε=h/cに依存し、式中、hは、着目表面から車両底面までの距離である。Cは、本体の弦長である。典型的には、約0.1に等しいε値は、吸引(ベンチュリ)力をもたらし、これは、多くの場合、被る下向きの力を増加させるために、レースカーにおいて使用される。しかしながら、0.08を下回るε値に関して、境界層が合流し、代わりに、揚力が起こり、地面効果における翼として公知のものを提供することが見出され、これは、被る揚力を増加させるために、いくつかの車両において使用される。しかしながら、自己安定化に関して、一定の下向きまたは上向きの(WIG)力の代わりに、いくつかの実施形態では、目標は、車両を表面に対して所望の位置に向かって戻すように付勢する、勾配を伴う正味ゼロの力領域を生成することである。 As noted above, lateral movement of the vehicle relative to the surface is a possible way to generate ground forces. Furthermore, the balance of ground forces applied to the vehicle is related to the distance h between the vehicle and the ground. For example, without being bound by theory, the fluid force on the vehicle due to the presence of the surface depends on the specific gap ratio ε = h / c, where h is from the surface of interest to the vehicle bottom. Distance. C is the chord length of the main body. Typically, an ε value equal to about 0.1 results in a suction (venturi) force, which is often used in race cars to increase the downward force experienced. However, for ε values below 0.08, it is found that the boundary layers merge and instead lift occurs, providing what is known as a wing in the ground effect, which increases the lift experienced. Moreover, it is used in some vehicles. However, with respect to self-stabilization, instead of a constant downward or upward (WIG) force, in some embodiments, the target biases the vehicle back toward the desired position relative to the surface. It is to generate a net zero force region with a gradient.
図8A−9Bは、車体の平坦底部部分6が、速度Uにおいて、表面に対して側方に進行する、部分的楕円車両2の簡略化された2次元モデルを例証する。上記に留意されるように、表面100に対する車両の高さに応じて、異なる流動形態が、遭遇される。例えば、理論によって拘束されるわけではないが、表面に極めて近接する領域に関して、車両は、多大な粘性効果を被り、この領域における流動は、境界層の相互作用を通して最も効果的に理解される。表面に近接するが、境界層厚さを上回る領域に関して、本体と表面との間に、流路が存在する。この領域における流動は、ベルヌーイ効果およびクエット流の組み合わせによって決定される。したがって、このチャネルにおいて増加された速度は、ベンチュリ効果と呼ばれる、より低い圧力(すなわち、吸引)をもたらす。加えて、地面の影響があまり顕著にならない、表面からより遠い領域に関して、流動は、制限のない媒体に遷移し、地面効果力は、存在する場合、完全に無視できる。これらの種々の領域および結果として生じる力が、以下にさらに説明される。領域が相互に離散的であるように説明されているが、種々の吸引力および揚力が、可変量で各領域に存在し、どのタイプの力がその特定の領域において優勢であり、どの程度その力が観察される車両挙動を支配するかが、より問題となることを理解されたい。 8A-9B illustrate a simplified two-dimensional model of a partially elliptical vehicle 2 in which the flat bottom portion 6 of the vehicle body travels laterally with respect to the surface at a speed U. As noted above, depending on the height of the vehicle relative to the surface 100, different flow forms are encountered. For example, without being bound by theory, for a region that is very close to the surface, the vehicle suffers a significant viscous effect, and the flow in this region is most effectively understood through boundary layer interactions. For areas close to the surface but above the boundary layer thickness, there is a flow path between the body and the surface. The flow in this region is determined by a combination of Bernoulli effect and Couette flow. Thus, the increased velocity in this channel results in a lower pressure (ie suction), called the venturi effect. In addition, for regions farther from the surface where the ground effect is less noticeable, the flow transitions to an unrestricted medium and the ground effect force, if present, can be completely ignored. These various regions and the resulting forces are further described below. Although the regions are described as being discrete from each other, various attractive forces and lifts exist in each region in variable amounts, which types of forces predominate in that particular region, and to what extent It should be understood that whether force dominates the observed vehicle behavior becomes more problematic.
車両本体が表面に極めて近接するとき、被る揚力は、多くの理論を通して説明されることができる。例えば、0.01に等しい、またはそれを下回るεを伴う間隙サイズに関して、2つの表面が相対運動において移動する際の境界層の相互作用に対処する、周知の潤滑理論が、使用されることができる。ここでの流動は、非常に粘性であり、低減されたレイノルズ数が、ε2Reによって与えられる。簡易化するために、車両の基部の真上の小さい領域が、図9Aおよび9Bに図式的に示されるように、一定の速度Uにおいて表面に対して移動される可変高さの傾斜スライダとしてモデル化されることができる。流体は、車両の底面に対してz位置とともに変化するvxの速度を有する。結果として生じる流体速度および圧力を判定するための支配方程式は、非圧縮性流動に関する2Dナヴィエストークス方程式および潤滑理論に関するレイノルズ方程式である。定性的には、流体は、hiの高さを伴う点Aにおいて入口圧力Piに入る。流体流が、観察される効果を引き起こし得る理想化された形状を表す、AからBへの楔を通過する際、最大圧力Poが、点Bにおける点hoにおいて起こる。しかしながら、車両によって観察される反発および/または揚力はまた、間隙内で観察されるチョーキング効果によるものに多大に起因し得ることに留意されたい。圧力は、次いで、点BからCまでに圧力の線形降下を受け、これは、これらの点の間の圧力の予期される線形降下を伴う平行板としてモデル化されることができる。概略モデルは、次いで、観察される挙動を引き起こし得る別の理想化された幾何学形状である、CからDに拡大する楔区分を通過し、したがって、圧力をPiに戻す。本体の任意の点における圧力は、周囲圧力(すなわち、入口圧力)またはそれを上回るため、図8Bに示されるように、正味の正の揚力FLが、車両に作用する。この現象はまた、合流し、チャネル内にチョーキングを引き起こし、観察される揚力をもたらし得る、2つの境界層間の相互作用からもたらされるものとして理解されることができる。増加された揚力に加えて、車両はまた、相互に対して移動する境界層間の粘性摩擦に起因して、増加された抗力を被り得る。 When the vehicle body is in close proximity to the surface, the lift experienced can be explained through many theories. For example, for gap sizes with ε equal to or less than 0.01, well-known lubrication theories can be used that address the interaction of the boundary layer as the two surfaces move in relative motion. it can. The flow here is very viscous and a reduced Reynolds number is given by ε 2 Re. For simplicity, a small area directly above the base of the vehicle is modeled as a variable height tilt slider that is moved relative to the surface at a constant speed U, as shown schematically in FIGS. 9A and 9B. Can be The fluid has a velocity of v x that varies with the z position relative to the bottom surface of the vehicle. The governing equations for determining the resulting fluid velocity and pressure are the 2D Naviestokes equation for incompressible flow and the Reynolds equation for lubrication theory. Qualitatively, the fluid enters the inlet pressure P i at point A with a height of h i . As the fluid flow passes through the A to B wedge, which represents an idealized shape that can cause the observed effect, a maximum pressure P o occurs at point h o at point B. However, it should be noted that the rebound and / or lift observed by the vehicle can also be attributed largely to the choking effect observed in the gap. The pressure then undergoes a linear drop in pressure from points B to C, which can be modeled as a parallel plate with an expected linear drop in pressure between these points. Schematic model, then, is another idealized geometries which may cause behavior observed, through the wedge segments to expand from C to D, therefore, return the pressure to P i. The pressure at any point of the body, ambient pressure (i.e., the inlet pressure) for greater than or, as shown in FIG. 8B, positive lift F L of the net, acting on the vehicle. This phenomenon can also be understood as arising from the interaction between the two boundary layers that can merge and cause choking in the channel, resulting in observed lift. In addition to increased lift, the vehicle can also experience increased drag due to viscous friction between the boundary layers moving relative to each other.
流動が非粘性であるが、依然として表面からわずかな間隙を空けて存在すると見なされ得る、境界層の組み合わせられた厚さの上方の領域では、流動は、図9Aおよび9Bに示されるように、観察される現象をより深く理解するために、狭化縮径部を伴う理想化された幾何学形状のパイプに進入する流体としてモデル化されることができる。半径は、hiで始まり、hoまで低減し、次いで、hiまで戻るように拡大する。ベルヌーイ方程式から、これは、狭い区分における速度の対応する増加を引き起こし、低減された圧力または吸引力Fvをもたらし、これは、ベルヌーイ方程式を使用してモデル化されることができる。境界層は、移動する地面が流体を間隙中に引き込むにつれて、この効果を増進させる(すなわち、クエット流)。 In the region above the combined thickness of the boundary layer, where the flow is non-viscous but can still be considered to exist with a slight gap from the surface, the flow is as shown in FIGS. 9A and 9B: In order to better understand the observed phenomenon, it can be modeled as a fluid entering an idealized geometry pipe with a narrowed diameter. Radius, begin with h i, reduced to h o, then, to expand so as to return to h i. From the Bernoulli equation, this causes a corresponding increase in velocity in a narrow section, resulting in a reduced pressure or suction force Fv, which can be modeled using the Bernoulli equation. The boundary layer enhances this effect as the moving ground draws fluid into the gap (ie, Couette flow).
上記に留意される揚力および吸引(すなわち、ベンチュリ)力は、相互に対向し、間隙が変動されるにつれて強度が変動し、揚力は、間隙距離が増加するにつれて、ベンチュリ力よりも速く減衰する。正味揚力を被るより小さい距離と正味吸引力を被るより大きい距離との間では、車両に作用する垂直z方向における力が正味ゼロである、平衡点が存在する。言い換えると、FLがFvに等しく、車両が中立的に浮遊していると仮定する点が存在する。例えば、本実施例により詳細に説明されるように、εの値は、ε=h/cを使用して、図20および21に示される以下の領域、すなわち、車両の側方移動からの正の揚力が起こる、ε≦0.01に対応する領域a、負の揚力(すなわち、吸引力)が車両の側方移動から起こる、0.01≦ε≦0.3に対応する領域b、正味ゼロの地面効果力が約ε=0.01で起こる、領域aとbとの間、および地面効果力がもはや顕著ではない、ε≦0.3に対応する領域cに分類され得る。地面効果力の全体的大きさはまた、車両速度が増加するにつれて増加し得る。上記に加えて、揚力対間隙距離の負の傾きが、種々のεの値に関して存在し得る。さらに、任意の数の異なる比率が、いくつか例を挙げると、サイズ、形状、速度、および流動形態の変化からの影響に起因して、表面に対する車両の側方移動に起因する負の傾きを提供することが可能であり得ることを理解されたい。先に留意されたように、力対間隙距離におけるこの応答は、表面に対する車両の1つまたはそれを上回る安定した均衡位置を生成するために利用され得る。当然ながら、本開示がそのように限定されないため、他のタイプの地面効果力の使用に起因する、留意されるε範囲外の安定した均衡点において動作する車両もまた、想定される。 The lift and suction (i.e., venturi) forces noted above are opposite to each other and vary in strength as the gap is varied, and lift attenuates faster than the venturi force as the gap distance increases. Between a smaller distance that suffers net lift and a larger distance that suffers net attraction, there is an equilibrium point where the force in the vertical z direction acting on the vehicle is net zero. In other words, F L is equal to F v, the vehicle there is a point to be assumed to be floating in neutral. For example, as described in more detail in this example, the value of ε is positive using the following region shown in FIGS. 20 and 21, ie, lateral movement of the vehicle, using ε = h / c. Region a corresponding to ε ≦ 0.01, where negative lift (ie suction force) occurs from lateral movement of the vehicle, region b corresponding to 0.01 ≦ ε ≦ 0.3, net A zero ground effect force occurs at about ε = 0.01, between regions a and b, and a region c corresponding to ε ≦ 0.3, where the ground effect force is no longer significant. The overall magnitude of the ground effect force can also increase as vehicle speed increases. In addition to the above, a negative slope of lift versus gap distance can exist for various values of ε. In addition, any number of different ratios can cause negative slopes due to lateral movement of the vehicle relative to the surface due to effects from changes in size, shape, speed, and flow morphology, to name a few. It should be understood that it may be possible to provide. As noted above, this response in force versus gap distance can be utilized to generate one or more stable equilibrium positions of the vehicle relative to the surface. Of course, since the present disclosure is not so limited, vehicles operating at stable equilibrium points outside the noted ε range due to the use of other types of ground effect forces are also envisioned.
上記に照らして、車両は、任意の数の異なるεの値を伴う表面に対する車両の側方移動に起因して地面力を生成するために、表面に対してある距離において動作され得る。しかしながら、一実施形態では、車両は、約0.3、0.1、0.05、0.01、もしくは任意の他の適切な値を下回る、またはそれに等しい値のεにおいて動作され得る。対応して、車両は、約0.001、0.005、0.01、0、05、もしくは任意の他の適切な値を上回る、またはそれに等しい値のεにおいて動作され得る。限定ではないが、約0.001〜0.3またはそれらに等しいものを含む、上記の組み合わせが、想定される。当然ながら、上記に留意されるものよりも大きいものおよびそれよりも小さいものの両方の異なる範囲内の車両の動作が、特に、異なるサイズの車両を使用する、異なる速度において動作する、および/または異なる形態の地面効果力を使用するときに想定される。 In light of the above, the vehicle can be operated at a distance relative to the surface to generate ground forces due to the lateral movement of the vehicle relative to the surface with any number of different values of ε. However, in one embodiment, the vehicle may be operated at a value of ε below or equal to about 0.3, 0.1, 0.05, 0.01, or any other suitable value. Correspondingly, the vehicle may be operated at a value of ε above or equal to about 0.001, 0.005, 0.01, 0, 05, or any other suitable value. Combinations of the above are envisioned including, but not limited to, about 0.001-0.3 or equivalent. Of course, the operation of vehicles in different ranges, both larger and smaller than noted above, in particular uses different sized vehicles, operates at different speeds and / or differs. Assumed when using a form of ground effect.
理論によって拘束されるわけではないが、表面に対する車両の側方移動を使用して生成される、地面効果力の大きさは、車両速度が増加するにつれて増加する。したがって、車両の速度を増加させることは、車両に印加される揚力および/または印加される吸引力を増加させるであろう。したがって、車両の速度は、車両に作用する1つまたはそれを上回る他の力を平衡させるように制御され得るか、または速度は、留意される地面効果力を生成する表面に向かう、もしくはそれから離れる所望の方向に車両を付勢するように制御され得るかのいずれかとなる。上記に加えて、車両が、間隙距離に対する地面効果力の変化が負である領域に位置する場合、車両の速度を改変することはまた、表面に対する車両の安定した均衡位置を第1の位置から第2の位置に変化させ得る。 Without being bound by theory, the magnitude of the ground effect force generated using the lateral movement of the vehicle relative to the surface increases as the vehicle speed increases. Thus, increasing the speed of the vehicle will increase the lift applied to the vehicle and / or the applied suction. Thus, the speed of the vehicle can be controlled to balance one or more other forces acting on the vehicle, or the speed can be toward or away from the surface producing the noted ground effect force. It can either be controlled to urge the vehicle in a desired direction. In addition to the above, when the vehicle is located in a region where the change in ground effect force with respect to the gap distance is negative, altering the vehicle speed can also cause the vehicle to have a stable equilibrium position relative to the surface from the first position. It can be changed to the second position.
一実施形態では、上記に留意される車両に関する制御パラメータは、平坦車体部分等の表面を含む車両と組み合わせられ得る。加えて、この表面は、先に留意されたような所望の感知範囲を伴う1つまたはそれを上回るセンサを含み得る。平坦車体部分は、所望の走査または移動方向において、適切な弦長および十分な量の推力を有し、車両が表面に対して側方に移動される際、センサの所望の感知範囲内に少なくとも1つの安定した均衡地面効果高さを生成し得る。当然ながら、弦長および推力容量が、表面に対する他の所望の位置に安定した均衡位置を提供するように選択される実施形態もまた、想定される。 In one embodiment, the control parameters for the vehicle noted above may be combined with a vehicle that includes a surface such as a flat body portion. In addition, the surface may include one or more sensors with a desired sensing range as noted above. The flat body part has an appropriate chord length and a sufficient amount of thrust in the desired scanning or movement direction, and is at least within the desired sensing range of the sensor when the vehicle is moved laterally relative to the surface. One stable balanced ground effect height can be generated. Of course, embodiments in which the chord length and thrust capacity are selected to provide a stable balanced position at other desired positions relative to the surface are also envisioned.
別の実施形態では、地面効果力を使用して車両の位置付けを制御する方法は、車両が近接して位置する着目表面に向かって配向される、1つまたはそれを上回る噴流を用いて車両に対する地面効果力を生成するステップを含む。以下にさらに詳述されるように、理論によって拘束されるわけではないが、表面に衝突する1つまたはそれを上回る噴流と関連付けられる地面効果力は、小さい間隙における伝統的な潤滑理論の組み合わせである。しかしながら、地面までの距離が増加されるにつれて、地面に誘発された揚力損失(すなわち、吸引)が、優勢になり始め、これは、車両をより小さい間隙に向かって戻すように引動する。したがって、小さい距離から中間距離において、噴流に対する安定した均衡点が存在する。間隙がさらに増加されるにつれて、吹上からの揚力増進は、車両に印加される推力が自由流におけるものに等しくなるまで車両を離すように押動し、これはまた、地面に対する車両のための別の安定した均衡点を生成するために利用され得る。これらの個々の現象が、図を参照して以下にさらに説明される。 In another embodiment, a method for controlling the positioning of a vehicle using ground effect forces is directed to the vehicle using one or more jets that are directed toward a surface of interest in which the vehicle is located in close proximity. Generating a ground effect force. As will be described in more detail below, although not bound by theory, the ground effect force associated with one or more jets impinging on the surface is a combination of traditional lubrication theories in small gaps. is there. However, as the distance to the ground is increased, lift loss (i.e. suction) induced on the ground begins to prevail, which pulls the vehicle back towards a smaller gap. Therefore, there is a stable equilibrium point for the jet from a small distance to an intermediate distance. As the clearance is further increased, the lift enhancement from the blowup pushes the vehicle away until the thrust applied to the vehicle is equal to that in free flow, which also separates the vehicle from the ground. Can be used to generate a stable equilibrium point. These individual phenomena are further explained below with reference to the figures.
図10Aは、遠心分離機または他の適切なタイプのポンプもしくはタービン等の圧力源16と流体連通する入口18を含む、車両2の一実施形態を例証する。圧力源は、いくつかの実施形態では、車両の車体の平坦部分の中心に位置する、中央スラスタ10との連通を含む。特に、スラスタは、平坦車体部分に対して垂直に下向きに配向される。車両の正味重量W(実際の重量から浮力を差し引いたもの)に加えて、車両に印加される上向き推力Tが、もたらされる。車両は、任意の関連付けられる表面から除去されるように描写され、したがって、これに作用する任意の地面効果を含まない。 FIG. 10A illustrates one embodiment of the vehicle 2 that includes an inlet 18 in fluid communication with a pressure source 16 such as a centrifuge or other suitable type of pump or turbine. The pressure source, in some embodiments, includes communication with the central thruster 10 located in the center of the flat portion of the vehicle body. In particular, the thrusters are oriented vertically downward with respect to the flat body part. In addition to the vehicle's net weight W (actual weight minus buoyancy), an upward thrust T applied to the vehicle is provided. The vehicle is depicted as being removed from any associated surface and therefore does not include any ground effects that affect it.
図11Aは、表面の距離h内に位置する車両を例証する。スラスタ10の特定の距離および定寸に応じて、異なるタイプの地面効果力が、異なる間隔において優勢になり得る。図に示されるように、表面100に向かうスラスタ10からの噴流流は、3つの異なる種類の流体流によって優勢になる3つの異なる着目領域を生成する。どの特定のタイプの流体流および結果として生じる地面効果力が優勢になるかを特徴付けるために役立つ、2つのパラメータは、側方移動に関して上記に詳述されるように、特有の間隙長ε=h/cを含み、式中、hは、間隙高さであり、cは、特有の本体長または関連付けられる表面の弦長である。他のパラメータは、スラスタ直径dに対する地面までの距離hの比率であり、これは、η=h/dによって与えられる。図に示される異なる着目領域が、以下にさらに説明される。 FIG. 11A illustrates a vehicle located within a surface distance h. Depending on the specific distance and sizing of the thruster 10, different types of ground effect forces can prevail at different intervals. As shown, the jet flow from thruster 10 toward surface 100 produces three different regions of interest that are dominated by three different types of fluid flow. Two parameters that serve to characterize which particular type of fluid flow and the resulting ground effect force predominate are the specific gap lengths ε = h, as detailed above for lateral movement. / C, where h is the gap height and c is the specific body length or associated surface chord length. Another parameter is the ratio of the distance h to the ground relative to the thruster diameter d, which is given by η = h / d. The different areas of interest shown in the figure are further described below.
最初に、第1の領域において、平坦底部車体部分6等の車両の底面が、表面100と接触すると、スラスタ10が、オンにされる。接触すると、流動は、外に出ようとするが、スラスタからの流動を遮断する表面に起因して、外に出ることができない。所与の開口部サイズに関する特定の圧力において、圧力は、圧力を解放するために十分な最小距離だけ本体を上昇させるために十分に大きい、揚力Lfを生成する(図31の領域1参照)。薄膜が、次いで、車両の真下に生成される。これは、エアベアリングスライダまたは平行円板を通した半径方向流に若干類似し、本体は、0.5mm〜4mm、1mm〜2mm、もしくは任意の他の適切な流体膜厚さである、またはそれらに等しい厚さを有する、低速度流体の薄膜上の表面に対して安定した均衡距離に留まる。さらに、上記に留意されるものよりも大きい厚さおよび小さい厚さの両方を有する流体膜もまた、スラスタ強度および定寸ならびに車両サイズに応じて想定される。この現象は、一般的に、流体膜形成に関する潤滑理論と呼ばれ、理論によって拘束されるわけではないが、この説明は、流動が低レイノルズ数層流として近似され得、慣性力が粘性応力よりも小さい限り、有効である。 Initially, in the first region, the thruster 10 is turned on when the bottom surface of the vehicle, such as the flat bottom body portion 6, contacts the surface 100. Upon contact, the flow will attempt to exit, but cannot exit due to the surface blocking the flow from the thruster. At a particular pressure for a given opening size, the pressure produces a lift L f that is large enough to raise the body by a minimum distance sufficient to relieve the pressure (see region 1 in FIG. 31). . A thin film is then generated directly under the vehicle. This is somewhat similar to radial flow through air bearing sliders or parallel disks, and the body is 0.5 mm to 4 mm, 1 mm to 2 mm, or any other suitable fluid film thickness, or It remains in a stable equilibrium distance with respect to the surface on the thin film of low velocity fluid having a thickness equal to. Furthermore, fluid films having both greater and lesser thickness than noted above are also envisioned depending on thruster strength and sizing and vehicle size. This phenomenon is commonly referred to as the lubrication theory for fluid film formation and is not constrained by theory, but this explanation is that the flow can be approximated as a low Reynolds number laminar flow and the inertial force is greater than the viscous stress. As long as it is small, it is effective.
間隙距離hが第2の領域まで増加されると(図31の領域2参照)、車両は、揚力の急激な損失を被る、すなわち、増加する間隙距離に伴う揚力の変化は、負である。理論によって拘束されるわけではないが、これは、表面100に衝突するスラスタ10からの噴流が、表面に並行に流動し、放射する壁面噴流とともに、車両の下に低圧領域を生成することに起因する。この低圧領域は、強力な吸引力LSをもたらす。この吸引効果は、地面までの近接度とノズル直径との比率η=h/dならびに噴流澱み圧と周囲圧力との間の比率である、ノズル圧力比(NPR)に依存する。したがって、表面に近接近して、地面の存在が、付加的揚力を提供するであろうことが予期され得る一方、流体膜距離を上回る小さい距離において、強力な吸込力または負圧領域を被り得る。例えば、η≦0.3に関して、車両から放射する流動は、前縁において本体に付着したままであり、間隙内に小さい地面渦をもたらし、これは、高さが増加するとともに減少する負圧を生成することが分かる。η≧0.3における吸込力はまた、主要な噴流が、壁面噴流とともに車両本体の真下の流体を取り込み、それによって、車両の真下の水を加速させ、車両の上側と下側との間に負圧差を生成し、これが、車両の下の低圧区域および対応する揚力の急激な低減を引き起こすという事実からも理解されることができる。しかしながら、高さが地面に対して増加されるにつれて、渦は、消失し、圧力差は、ゼロに向かう。
領域
When the gap distance h is increased to the second area (see area 2 in FIG. 31), the vehicle suffers a sudden loss of lift, i.e., the change in lift with increasing gap distance is negative. Without being bound by theory, this is due to the fact that the jet from thruster 10 impinging on surface 100 flows parallel to the surface and, together with the radiating wall jet, creates a low pressure region under the vehicle. To do. This low pressure region provides a strong suction force L S. This suction effect depends on the ratio η = h / d between the proximity to the ground and the nozzle diameter and the nozzle pressure ratio (NPR), which is the ratio between jet stagnation pressure and ambient pressure. Thus, in close proximity to the surface, it can be expected that the presence of the ground will provide additional lift while at the same time suffering a strong suction force or negative pressure region at small distances above the fluid film distance. . For example, for η ≦ 0.3, the flow radiating from the vehicle remains attached to the body at the leading edge, resulting in a small ground vortex in the gap, which results in a negative pressure that decreases with increasing height. You can see that The suction force at η ≧ 0.3 also causes the main jet to take up the fluid directly under the vehicle body along with the wall jet, thereby accelerating the water directly under the vehicle and between the upper and lower sides of the vehicle. It can also be understood from the fact that it creates a negative pressure difference, which causes a sudden reduction in the low pressure area under the vehicle and the corresponding lift. However, as the height is increased relative to the ground, the vortex disappears and the pressure differential goes to zero.
region
上記に留意されるηおよびNPRに加えて、誘発される揚力(正または負)に影響を及ぼすと言われる他のパラメータは、噴流構造ならびに地面への噴流衝突角度である。 In addition to η and NPR noted above, other parameters that are said to affect the induced lift (positive or negative) are the jet structure and the jet impact angle to the ground.
第3の領域に対応するより大きい間隙距離hに関して、吸込力は、低減され、表面に衝突する噴流からの噴水吹上が、地面力に優勢になり始める(図31の領域3参照)。具体的には、表面に衝突する噴流は、地面から上向きに、車両底面に向かって反射される。概して、噴水効果と称されるこの効果は、車両の下面上に正圧を生産し、これは、表面に向かって配向される車両の車体の底部部分に作用する揚力Lfを増加させる。しかしながら、噴水効果は、強力な吸引力に起因して、車両が地面により近接近させられると、比較的に急速に抑制される。加えて、噴水効果は、間隙が増加され、より大きい間隙距離において車両に印加される自由流推力をもたらすと、最終的にゼロまで減衰する。噴水効果は、表面に衝突する、単一および複数の両方の噴流に対して観察されることに留意されたい。加えて、噴水効果は、以下の実施例に例証されるように、より低速の噴流に関する吸込力を克服しない場合があることに留意されたい。したがって、この第3の領域における正の揚力の存在は、領域2における地面効果力に優勢である関連付けられる吸込効果を克服するために十分に大きい噴水効果を生成するために十分な推力容量を有するスラスタを条件とし得る。 For larger gap distances h corresponding to the third region, the suction force is reduced and the fountain blast from the jet impinging on the surface begins to dominate the ground force (see region 3 in FIG. 31). Specifically, the jet that collides with the surface is reflected upward from the ground toward the bottom of the vehicle. This effect, generally referred to as the fountain effect, produces a positive pressure on the underside of the vehicle, which increases the lift L f acting on the bottom part of the vehicle's car body oriented towards the surface. However, the fountain effect is suppressed relatively rapidly when the vehicle is brought closer to the ground due to the strong suction force. In addition, the fountain effect eventually decays to zero when the gap is increased, resulting in free flow thrust applied to the vehicle at larger gap distances. Note that the fountain effect is observed for both single and multiple jets impinging on the surface. In addition, it should be noted that the fountain effect may not overcome the suction force for slower jets, as illustrated in the examples below. Thus, the presence of positive lift in this third region has sufficient thrust capacity to produce a fountain effect that is large enough to overcome the associated suction effect that predominates the ground effect force in region 2. A thruster can be a condition.
上記に照らして、一実施形態では、圧力蓄積および薄流体膜に対応する領域1は、0.08〜0.6またはそれらに等しいηを呈し得、吸込に対応する領域2は、0.6〜64またはそれらに等しいηを呈し得、噴水吹上に対応する領域3は、64〜200またはそれらに等しいηを呈し得る。当然ながら、領域3は、いくつかの場合では、32を上回る、またはそれに等しいηにまで及び得ることが予期される。対応する安定した均衡点が、約1mm、100mm、および500mmにおいて観察された。再び、上記で判定された値は、特定の車両に関するものであり、領域毎に上記に留意されるものを上回る、および下回る両方の値もまた、異なる車両サイズ、スラスタ速度、設計、および動作パラメータに関して変化するこれらの領域と関連付けられるη値に起因して起こり得ることを理解されたい。 In light of the above, in one embodiment, region 1 corresponding to pressure build-up and thin fluid film may exhibit η between 0.08 and 0.6, or region 2 corresponding to suction is 0.6. The region 3 corresponding to the fountain blast can exhibit η of 64 to 200 or equal to them. Of course, it is expected that region 3 may extend to η above or equal to 32 in some cases. Corresponding stable equilibrium points were observed at about 1 mm, 100 mm, and 500 mm. Again, the values determined above are for a particular vehicle, and values above and below what is noted above for each region are also different vehicle sizes, thruster speeds, designs, and operating parameters. It should be understood that this can occur due to the η values associated with these regions varying with respect to.
図11Bは、噴流が隣接する表面に向かって配向されるときに車両に作用する種々の力を示す。図に示されるように、車両は、正味重量W(実際の重量から浮力を差し引いたもの)と、表面に向かって車両に下向きに作用する吸引力Lsと、平坦底部車体部分6に対して上向きに配向される推力Tと、留意される噴水効果からの揚力Lfとを含む。また、図31aに見られるように、車両に印加される推力および地面効果力を含む組み合わせられた力対間隙サイズ、すなわち、対応する表面からの距離の傾きは、2つの場所において力対間隙距離の負の変化を有し、表面に対する車両に関する2つの安定した均衡位置が存在することを示す。第1に、小さい間隙(すなわち、小さいη)に関して、吸込および車両の正味重量は、車両の推力および揚力に対して平衡され、車両を均衡位置に維持し得る。およそ車両のサイズである、またはそれよりも大きい、第2の安定した均衡位置において、車両の正味重量は、噴水吹上を加えて、かつ弱化した吸込力を差し引いて、推力に対して平衡される。上記と同様に、両方の安定した均衡位置では、間隙距離の上向き摂動は、揚力Lfの寄与を減少させる一方、間隙距離の下向き摂動は、揚力Lfを増加させる。したがって、地面力は、距離が変化するとともに改変し、車両を所望の均衡位置に向かって自動的に付勢する。しかしながら、この条件が起こる具体的距離は、スラスタ、または噴流、速度に依存する。したがって、スラスタ速度は、増加または減少され、各第2の安定した均衡位置の間隙距離を対応して増加または減少させ得る。但し、より大きい間隙サイズ(すなわち、より大きいη)に位置する第2の均衡位置は、より小さい傾きを有し、したがって、均衡位置において、表面により近接して位置する均衡位置よりも大きい変動を可能にすることに留意されたい。加えて、十分に低い速度に関して、第2の安定した条件は、噴水効果が吸引効果によって克服されることに起因して消失し得る。 FIG. 11B shows the various forces acting on the vehicle when the jet is directed towards the adjacent surface. As shown in the figure, the vehicle has a net weight W (actual weight minus buoyancy), a suction force L s acting downward on the vehicle toward the surface, and a flat bottom body portion 6. It includes a thrust T oriented upward and a lift L f from the noted fountain effect. Also, as seen in FIG. 31a, the combined force-to-gap size including thrust applied to the vehicle and ground effect force, ie, the slope of the distance from the corresponding surface, is the force-to-gap distance at the two locations. , Indicating that there are two stable equilibrium positions for the vehicle relative to the surface. First, for small gaps (ie, small η), the suction and the net weight of the vehicle can be balanced against the thrust and lift of the vehicle to keep the vehicle in a balanced position. In a second stable equilibrium position that is approximately the size of the vehicle or larger, the net weight of the vehicle is balanced against the thrust by adding fountain blowing and subtracting the weakened suction force. . Like the above, in both a stable balanced position of the upward perturbation gap distance, while reducing the contribution of lift L f, downward perturbation gap distance increases the lift L f. Thus, the ground force changes as the distance changes and automatically biases the vehicle toward the desired equilibrium position. However, the specific distance at which this condition occurs depends on the thruster, or jet, velocity. Thus, the thruster speed can be increased or decreased to correspondingly increase or decrease the gap distance of each second stable equilibrium position. However, a second equilibrium position located at a larger gap size (ie, a larger η) has a smaller slope and therefore has a greater variation in the equilibrium position than an equilibrium position located closer to the surface. Note that it allows. In addition, for a sufficiently low speed, the second stable condition can disappear due to the fountain effect being overcome by the suction effect.
先に留意されたように、スラスタ直径の相互作用に加えて、いくつかの実施形態では、比率ε=h/cもまた、車両が被る均衡距離に影響を及ぼし得る。例えば、安定した均衡距離は、いくつか例を挙げると、速度、推力、車両サイズ、および形状に基づいて変化し得るが、これらの地面効果力は、表面から、約0.5〜1.5の本体長に対応するε値を伴うより低い安定した均衡位置および約4〜10の本体長に対応するε値を伴うより高い安定した均衡位置をもたらし得る。しかしながら、再び、車両の設計および/または動作の変化に起因して、より大きいものおよびより小さいものの両方のこれらの範囲に関する異なる値もまた、想定される。 As noted above, in addition to the thruster diameter interaction, in some embodiments, the ratio ε = h / c may also affect the equilibrium distance experienced by the vehicle. For example, the stable equilibrium distance can vary based on speed, thrust, vehicle size, and shape, to name a few, but these ground effect forces are about 0.5-1.5 from the surface. May result in a lower stable equilibrium position with an ε value corresponding to a body length of 5 and a higher stable equilibrium position with an ε value corresponding to a body length of about 4-10. However, again, different values for these ranges, both larger and smaller, are also envisaged due to changes in vehicle design and / or operation.
種々のタイプの地面効果力を生成および制御するための2つの別個の方法が、上記に説明されたが、これらの方法は、本開示がそのように限定されないため、別個に、または組み合わせてのいずれかにおいて使用され得ることを理解されたい。例えば、表面に対する車両に関する1つまたはそれを上回る安定した均衡位置は、流体中に浸漬される車両の正味重量を、表面から離れて車両に印加される正味推力(推力方向および/または大きさに応じて正または負であり得る)、ならびに、表面に対する車両の側方移動、および/または、吸込および/または噴水吹上を生成する表面に向かって配向される1つもしくはそれを上回るスラスタからもたらされる地面効果力と平衡させることによって生成され得る。加えて、表面に対する車両の速度、推力の大きさ、および/または車両の浮力は、結果として生じる車両の安定した均衡位置を改変するために、改変され得る。 Two separate methods for generating and controlling various types of ground effect forces have been described above, but these methods may be used separately or in combination as the present disclosure is not so limited. It should be understood that either can be used. For example, one or more stable equilibrium positions with respect to the vehicle relative to the surface may cause the net weight of the vehicle immersed in the fluid to a net thrust (thrust direction and / or magnitude) applied to the vehicle away from the surface. Resulting in one or more thrusters oriented towards the surface producing the suction and / or fountain blasts, and / or lateral movement of the vehicle relative to the surface, and / or Can be generated by balancing with ground effect forces. In addition, the speed of the vehicle relative to the surface, the magnitude of the thrust, and / or the buoyancy of the vehicle may be altered to alter the resulting stable equilibrium position of the vehicle.
上記に照らして、車両の種々の実施形態は、任意の数の場所において、種々の方向に配向されるスラスタを含み得る。例えば、図12Aおよび12Bは、車体の平坦底部部分6から離れて上向きに配向されるスラスタを含む、車両の一実施形態を例証する。車両はまた、1つまたはそれを上回る側方に配向されるスラスタ8bおよび8cを含み、これらは、推力を車両に、車体の平坦底部部分に平行な方向において印加するが、角度付けられた側方推力もまた、印加され得る。中央スラスタ10および中央スラスタの対向する側上に位置する2つのスラスタ12が、車体の平坦底部部分に対して垂直に下方に配向される。圧力が、描写されない入口に流体接続される、適切な圧力源16を使用して、これらのスラスタに印加される。圧力源は、圧力源および種々の関連付けられるスラスタの動作を制御する、コントローラ20と電気通信する。 In light of the above, various embodiments of a vehicle may include thrusters oriented in various directions at any number of locations. For example, FIGS. 12A and 12B illustrate one embodiment of a vehicle that includes a thruster oriented upward away from the flat bottom portion 6 of the vehicle body. The vehicle also includes one or more laterally oriented thrusters 8b and 8c that apply thrust to the vehicle in a direction parallel to the flat bottom portion of the vehicle body, but at an angled side. A thrust can also be applied. A central thruster 10 and two thrusters 12 located on opposite sides of the central thruster are oriented vertically downward with respect to the flat bottom portion of the vehicle body. Pressure is applied to these thrusters using a suitable pressure source 16 that is fluidly connected to an unillustrated inlet. The pressure source is in electrical communication with the controller 20, which controls the operation of the pressure source and various associated thrusters.
図13Aおよび13Bは、中央スラスタ10に対して半径方向に外向きに位置する、車体の平坦底部部分6上に位置するスラスタを含む、車両2の代替実施形態を例証する。本実施形態では、中央スラスタを囲繞するスラスタは、車体の平坦底部部分の中心を垂直に通過する軸から離れて下方に、かつ側方に外向きに角度付けられる。そのような構成は、表面に対する車両の側方安定性に役立ち得る。さらに別の代替実施形態では(図14Aおよび14B参照)、車体の平坦底部部分上に、中央スラスタ10から半径方向に外向きに位置するスラスタは、車体の平坦底部部分の中心を垂直に通過する軸に向かって下方かつ内向きに角度付けられ、表面に衝突する、スラスタからもたらされる噴水効果を増進する。いくつかの実施形態では、車体の平坦部分上で、下方かつ側方に内向きに配向されるスラスタの1つまたはそれを上回るもの、およびいくつかの事例では、その全ては、点20に向かって指向される。 13A and 13B illustrate an alternative embodiment of the vehicle 2 that includes a thruster located on the flat bottom portion 6 of the vehicle body that is located radially outward with respect to the central thruster 10. In this embodiment, the thruster surrounding the central thruster is angled downward and laterally away from an axis that passes vertically through the center of the flat bottom portion of the vehicle body. Such a configuration can help the lateral stability of the vehicle relative to the surface. In yet another alternative embodiment (see FIGS. 14A and 14B), a thruster located radially outward from the central thruster 10 on the flat bottom portion of the vehicle body passes vertically through the center of the flat bottom portion of the vehicle body. Enhances the fountain effect resulting from thrusters that are angled downward and inward toward the axis and impact the surface. In some embodiments, one or more of the thrusters oriented downwardly and laterally inwardly on a flat portion of the vehicle body, and in some cases, all of them towards point 20. Oriented.
種々のスラスタに接続される単純なポンプが、上記の図に例証されたが、圧力源16は、本開示がこのように限定されないため、ポンプ、タービン、プロペラ、アキュムレータ、弁、分配マニホールド、および/または他の適切な油圧構成要素の任意の適切な組み合わせに対応し得ることを理解されたい。 Although simple pumps connected to various thrusters are illustrated in the above figures, the pressure source 16 is not limited to this disclosure, so the pump, turbine, propeller, accumulator, valve, distribution manifold, and It should be understood that any suitable combination of / or other suitable hydraulic components may be accommodated.
図15−18に例証されるように、時として、車両2が隣接して位置する表面100は、任意の数の検査プロセス中に起こり得るように、垂直に上向き以外の配向において配列される。例えば、海底に関して予期され得るように、垂直に上向きに配向されることに加えて、表面は、船体の底部に関して予期され得るように、垂直に下向きに、および/またはその間の任意の角度に配向され得る。したがって、いくつかの実施形態では、車体の平坦底部部分を含む車両は、車体6の平坦部分を対応する着目表面と整合させるために、任意の所望の配向において配向されることが可能であり得る。車両を配向する能力は、任意の適切な様式で遂行され得る。しかしながら、一実施形態では、車両は、車両の重心の位置を調節することによって配向される。この可変重心は、限定ではないが、車両内部に位置する、変位可能な重りまたはバラストを含む、任意の数の方法で提供され得る。代替として、車両内の浮心が、車両の配向を制御するために改変され得る。これは、限定ではないが、浸水した車両内部の種々の位置または選択的に浸水可能な区画内に位置する1つまたはそれを上回る選択的に膨張可能なブラダの使用を含む、任意の適切な様式で遂行され得る。 As illustrated in FIGS. 15-18, sometimes the surface 100 on which the vehicle 2 is located adjacent is arranged in an orientation other than vertically upward, as may occur during any number of inspection processes. For example, in addition to being oriented vertically upwards as can be expected with respect to the sea floor, the surface is oriented vertically downwards and / or at any angle therebetween, as can be expected with respect to the bottom of the hull. Can be done. Thus, in some embodiments, a vehicle that includes a flat bottom portion of a vehicle body may be able to be oriented in any desired orientation to align the flat portion of the vehicle body 6 with a corresponding surface of interest. . The ability to orient the vehicle can be accomplished in any suitable manner. However, in one embodiment, the vehicle is oriented by adjusting the position of the center of gravity of the vehicle. This variable center of gravity may be provided in any number of ways, including but not limited to a displaceable weight or ballast located inside the vehicle. Alternatively, the buoyancy in the vehicle can be modified to control the vehicle orientation. This may be any suitable, including but not limited to the use of one or more selectively inflatable bladders located in various locations within a submerged vehicle or in a selectively submersible compartment. Can be carried out in style.
上記の実施形態では、車両は、最初に、着目表面に向かって配向され得る。次いで、表面に対する車両の位置をその配向に維持することが所望される場合、車両は、表面に対して側方に移動されるか、および/または推力が、表面に向かって指向されるかのいずれかである一方、対応する推力が、車両を着目表面に向かって付勢するように車両に印加される。対応して、実質的に正味ゼロの力が、表面に向かって配向される方向において車両に印加され、所望の場所に安定した均衡位置を生成し得る。例えば、車両の正味重量、表面に向かう、およびそれから離れる両方の推力、ならびに対応する地面効果の合計は、表面に向かって配向される方向において平衡され得る。当然ながら、車両に印加される地面効果力は、車両を表面に対して側方に移動させること、および/または表面に向かって配向される推力を印加することからの成分を含む。加えて、間隙サイズの増加とともに結果として生じる表面と整合される力の変化は、負であり、距離が改変されると、車両が所望の位置に向かって付勢されることを確実にし得る。しかしながら、力対間隙サイズの変化が正である動作モードもまた、想定される。 In the above embodiment, the vehicle may initially be oriented towards the surface of interest. If it is desired to maintain the vehicle's position relative to the surface in that orientation, then the vehicle is moved laterally relative to the surface and / or the thrust is directed towards the surface On the other hand, a corresponding thrust is applied to the vehicle to urge the vehicle toward the surface of interest. Correspondingly, a substantially zero force can be applied to the vehicle in a direction oriented toward the surface to produce a stable balanced position at the desired location. For example, the net weight of the vehicle, the thrust both toward and away from the surface, and the sum of the corresponding ground effects can be balanced in the direction oriented toward the surface. Of course, the ground effect force applied to the vehicle includes components from moving the vehicle laterally relative to the surface and / or applying a thrust directed toward the surface. In addition, the resulting change in force aligned with the surface with increasing gap size is negative and may ensure that the vehicle is biased toward the desired location when the distance is modified. However, an operating mode in which the change in force versus gap size is positive is also envisioned.
種々の制御方法および車両構成を説明したが、表面に対して車両を制御するための方法の一実施形態が、図19に関連して説明される。本図では、200において、車両は、表面に対して第1の事前選択された距離に操縦される、配向される、および/または別様に位置付けられる。202において、車両は、次いで、表面に対して側方に移動される、および/または推力が、表面に向かって印加され、続けて、車両の動力学に影響を及ぼす、1つまたはそれを上回る地面効果力を生成する。204において、車両の正味重量(すなわち、車両重量から浮力を差し引いたもの)が、結果として生じる地面効果力とともに、表面に向かって、および/またはそれから離れて配向される、車両に印加される推力と平衡される。先に留意されたように、表面に向かって配向される車両に印加される正味ゼロの力が起こる距離は、安定した均衡点であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、表面に対する事前選択された距離は、安定した均衡位置に対応し、これは、上記に留意されるように、車両形状、表面に対する車両の側方速度、スラスタ直径、および表面に向かって配向されるスラスタから表面に衝突する噴流の大きさによって制御され得る。 Having described various control methods and vehicle configurations, one embodiment of a method for controlling a vehicle relative to a surface is described in connection with FIG. In this figure, at 200, the vehicle is steered, oriented and / or otherwise positioned at a first preselected distance relative to the surface. At 202, the vehicle is then moved laterally relative to the surface and / or thrust is applied toward the surface, subsequently affecting one or more of the vehicle dynamics. Generate ground effect power. At 204, the thrust applied to the vehicle in which the net weight of the vehicle (i.e., the vehicle weight minus buoyancy) is oriented toward and / or away from the surface with the resulting ground effect force. Is balanced. As noted above, the distance at which the net zero force applied to the vehicle oriented towards the surface occurs can be a stable equilibrium point. Furthermore, in some embodiments, the preselected distance to the surface corresponds to a stable equilibrium position, which, as noted above, is the vehicle shape, the vehicle's lateral velocity relative to the surface, the thruster diameter. , And the magnitude of the jet impinging on the surface from a thruster oriented towards the surface.
いったん表面に対して適切に位置付けられると、制御ループが、実装される。206において、1つまたはそれを上回るセンサが、車両の底面と検査されている表面との間の距離を感知する。車両が表面に対して第1の事前選択された距離から閾値距離内にある場合、地面効果力に関連する種々のパラメータは、208および212において維持され、これは、既存の流体力学的力を使用して、安定した均衡位置を中心とする車両の自動制御を提供する。しかしながら、車両が表面に対して事前選択された距離から所望の閾値距離外にある場合、表面に対して車両に印加される推力および/または側方速度および/または表面に向かって配向される推力の大きさ等、地面効果力を制御する1つもしくはそれを上回るパラメータは、210において改変され得る。これらの改変された力は、次いで、表面に対して所望の第1の事前選択された距離に向かって車両を付勢する。適切な閾値距離は、特定の用途に依存するであろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、適切な閾値距離は、絶対距離閾値または車両のサイズおよびこれが適用されている用途に基づく閾値に基づき得る。例えば、閾値は、センサを所望の感知範囲内に維持するように選択され得る。 Once properly positioned with respect to the surface, a control loop is implemented. At 206, one or more sensors sense the distance between the bottom surface of the vehicle and the surface being inspected. If the vehicle is within a threshold distance from the first preselected distance relative to the surface, various parameters related to ground effect forces are maintained at 208 and 212, which can be used to reduce existing hydrodynamic forces. Used to provide automatic control of the vehicle centered on a stable equilibrium position. However, if the vehicle is outside the desired threshold distance from a preselected distance relative to the surface, the thrust applied to the vehicle relative to the surface and / or the lateral speed and / or thrust directed towards the surface One or more parameters controlling the ground effect force, such as the magnitude of, may be modified at 210. These modified forces then urge the vehicle toward the desired first preselected distance against the surface. The appropriate threshold distance will depend on the particular application. However, in some embodiments, an appropriate threshold distance may be based on an absolute distance threshold or a threshold based on the size of the vehicle and the application to which it is applied. For example, the threshold can be selected to maintain the sensor within a desired sensing range.
いくつかの事例では、214において、異なる所望の感知範囲を伴う異なるセンサを使用する場合にあり得るように、表面に対して異なる第2の事前選択された距離に車両を変位させることが、望ましくあり得る。そのような調節が所望される場合、216において、表面に対して車両に印加される推力および/または関連する地面効果力は、車両を第2の事前選択された距離に移動させるように制御され得、これもまた、再び、安定した均衡位置に対応し得るが、この第2の位置がフィードバックループを使用して単純に制御される事例もまた、想定される。例えば、一実施形態では、表面に向かって配向される、印加される推力を改変し、車両を、近接範囲のセンサのために適切であり得る、表面により近接する安定した均衡点から、カメラまたは他のより広い範囲のセンサを使用する表面の外観検査のためにより適切である、より遠隔の安定した均衡点に向かって移動させることが、望ましくあり得る。いずれの場合も、218において、いったん車両が所望の感知範囲内に来ると、1つまたはそれを上回るセンサが、表面に関連する情報を感知し得る。220において、表面の検査が完了しない場合、制御ループは、継続される。代替として、いったん検査が完了すると、車両は、表面から離れるように操縦され、任意の他の適切な様式で制御され得る(202参照)。 In some cases, it may be desirable to move the vehicle to a different second preselected distance relative to the surface, as may be the case at 214 using different sensors with different desired sensing ranges. possible. If such adjustment is desired, at 216, the thrust applied to the vehicle relative to the surface and / or the associated ground effect force is controlled to move the vehicle to a second preselected distance. Again, this can again correspond to a stable equilibrium position, but the case is also envisaged where this second position is simply controlled using a feedback loop. For example, in one embodiment, the applied thrust, which is directed towards the surface, is modified from a stable equilibrium point closer to the surface, which may be suitable for proximity range sensors, It may be desirable to move towards a more remote and stable equilibrium point, which is more appropriate for visual inspection of surfaces using other wider range sensors. In any case, at 218, once the vehicle is within the desired sensing range, one or more sensors may sense information associated with the surface. If the surface inspection is not complete at 220, the control loop continues. Alternatively, once the inspection is complete, the vehicle can be steered away from the surface and controlled in any other suitable manner (see 202).
車両と関連付けられる種々の推力および地面効果力を改変することに加えて、いくつかの実施形態では、流体中の車両の正味重量もまた、車両の位置を制御する際に補助するために改変され得る。例えば、車両は、1つもしくはそれを上回る膨張可能ブラダ、充填可能チャンバ、および/または流体中の車両の浮力を変動させることが可能な任意の他の適切な配列によって提供される、可変浮力を有し得る。 In addition to modifying the various thrust and ground effect forces associated with the vehicle, in some embodiments, the net weight of the vehicle in the fluid is also modified to assist in controlling the position of the vehicle. obtain. For example, the vehicle has variable buoyancy provided by one or more inflatable bladders, fillable chambers, and / or any other suitable arrangement capable of varying the buoyancy of the vehicle in fluid. Can have.
種々の制御方法およびそれらの方法を実装するためのコントローラを含むシステムの上記に説明される実施形態は、任意の数の方法で構成され得る。例えば、コントローラは、任意の適切なコンピューティングデバイスに対応し得、これは、単一コンピューティングデバイス内に提供されるか、または複数のコンピューティングデバイス間に分散されるかを問わず、メモリと関連付けられる任意の好適なプロセッサまたはプロセッサの集合として構成され得る。そのようなプロセッサは、CPUチップ、GPUチップ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはコプロセッサ等の名称によって当分野で公知の商業的に利用可能な集積回路コンポーネントを含む、集積回路コンポーネント内に1つまたはそれを上回るプロセッサを伴う集積回路として実装され得る。代替として、プロセッサは、ASIC等のカスタム回路またはプログラマブル論理デバイスを構成することからもたらされるセミカスタム回路内に実装されてもよい。またさらなる代替として、プロセッサは、商業的に利用可能、セミカスタム、またはカスタムを問わず、より大きい回路または半導体デバイスの一部であってもよい。具体的実施例として、いくつかの商業的に利用可能なマイクロプロセッサは、複数のコアを有し、したがって、それらのコアのうちの1つまたはサブセットが、プロセッサを構成し得る。但し、プロセッサは、任意の好適なフォーマットにおける回路を使用して実装され得る。さらに、コンピューティングデバイスは、限定ではないが、ラックマウント型コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン、別個のカスタム設計された制御デバイス、または任意の他の適切なコンピューティングデバイスを含む、テザーを通して、または無線で車両に接続されるコンピューティングデバイス等、いくつかの形態のいずれかにおいて具現化され得ることを理解されたい。加えて、コンピューティングデバイスは、車両と直接統合され得、その場合では、車両は、自律的であり得る、および/または無線で、もしくはテザーを通してのいずれかで受信されるコマンドを受信および実行するように構成され得る。 The above-described embodiments of a system including various control methods and a controller for implementing those methods may be configured in any number of ways. For example, a controller may correspond to any suitable computing device, which may be memory and whether provided within a single computing device or distributed among multiple computing devices. It can be configured as any suitable processor or collection of processors associated with it. Such a processor is one or more of the integrated circuit components, including commercially available integrated circuit components known in the art by names such as CPU chip, GPU chip, microprocessor, microcontroller, or coprocessor. It can be implemented as an integrated circuit with more processors. Alternatively, the processor may be implemented in a custom circuit such as an ASIC or a semi-custom circuit resulting from configuring a programmable logic device. As yet a further alternative, the processor may be part of a larger circuit or semiconductor device, whether commercially available, semi-custom, or custom. As a specific example, some commercially available microprocessors have multiple cores, and thus one or a subset of those cores may constitute the processor. However, the processor may be implemented using circuitry in any suitable format. Further, the computing device includes, but is not limited to, a rack mount computer, desktop computer, laptop computer, tablet computer, smartphone, separate custom designed control device, or any other suitable computing device. It should be understood that the invention may be embodied in any of several forms, such as a computing device connected to a vehicle through a tether or wirelessly. In addition, the computing device may be integrated directly with the vehicle, in which case the vehicle may be autonomous and / or receive and execute commands received either wirelessly or through a tether. Can be configured as follows.
また、本明細書に概説される種々の方法またはプロセスは、種々のオペレーティングシステムまたはプラットフォームのうちのいずれか1つを採用する、1つまたはそれを上回るプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコード化され得る。加えて、そのようなソフトウェアは、いくつかの好適なプログラミング言語および/またはプログラミングもしくはスクリプトツールのいずれかを使用して書き込まれ得、また、フレームワークまたは仮想マシン上で実行される実行可能な機械言語コードもしくは中間コードとしてコンパイルされ得る。 Also, the various methods or processes outlined herein may be encoded as software executable on one or more processors employing any one of a variety of operating systems or platforms. obtain. In addition, such software can be written using any of a number of suitable programming languages and / or programming or scripting tools, and can be executed on a framework or virtual machine. It can be compiled as language code or intermediate code.
この点で、開示される実施形態は、車両上で実行されると、上記に議論される種々の方法およびプロセスを実装する1つまたはそれを上回るプログラムを用いてエンコードされる、コンピュータ可読記憶媒体(または複数のコンピュータ可読媒体)(例えば、コンピュータメモリ、1つもしくはそれを上回るフロッピディスク、コンパクトディスク(CD)、光学ディスク、デジタルビデオディスク(DVD)、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは他の半導体デバイス内の回路構成、または他の有形コンピュータ記憶媒体)として具現化され得る。前述の実施例から明白であるように、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータ実行可能命令を非一過性形態で提供するために十分な時間にわたって情報を留保し得る。そのようなコンピュータ可読記憶媒体または複数の媒体は、トランスポート可能であり得、したがって、その上に記憶されたプログラムまたは複数のプログラムは、1つもしくはそれを上回る異なるコンピュータまたは他のプロセッサ上にロードされ、上記に議論されるような本発明の種々の側面を実装することができる。本明細書で使用されるように、用語「コンピュータ可読記憶媒体」は、製品(すなわち、製造品)または機械であると見なされ得る、非一過性コンピュータ可読媒体のみを包含する。代替として、または加えて、本発明は、伝搬信号等、コンピュータ可読記憶媒体以外のコンピュータ可読媒体として具現化され得る。 In this regard, the disclosed embodiments are computer-readable storage media that, when executed on a vehicle, are encoded using one or more programs that implement the various methods and processes discussed above. (Or multiple computer-readable media) (eg, computer memory, one or more floppy disks, compact disks (CDs), optical disks, digital video disks (DVDs), magnetic tapes, flash memories, field programmable gate arrays or It may be embodied as a circuit configuration in another semiconductor device, or other tangible computer storage medium). As will be apparent from the foregoing examples, a computer-readable storage medium may retain information for a time sufficient to provide computer-executable instructions in a non-transitory form. Such computer-readable storage media or media may be transportable, so that the program or programs stored thereon may be loaded onto one or more different computers or other processors. And various aspects of the invention as discussed above can be implemented. As used herein, the term “computer-readable storage medium” encompasses only non-transitory computer-readable media that may be considered a product (ie, an article of manufacture) or a machine. Alternatively or additionally, the invention may be embodied as a computer readable medium other than a computer readable storage medium, such as a propagated signal.
用語「プログラム」または「ソフトウェア」は、コンピューティングデバイスまたは他のプロセッサをプログラムし、上記に議論されるような本発明の種々の側面を実装するために採用され得る、任意のタイプのコンピュータコードまたはコンピュータ実行可能命令のセットを指すように、一般的意味において本明細書で使用される。加えて、本実施形態の一側面によると、実行されると、開示される方法を実施する1つまたはそれを上回るコンピュータプログラムは、単一コンピュータまたはプロセッサ上に常駐する必要はなく、いくつかの異なるコンピュータまたはプロセッサ間にモジュール様式で分散され、本開示の種々の側面を実装し得ることを理解されたい。 The term “program” or “software” refers to any type of computer code or program that can be employed to program a computing device or other processor and implement various aspects of the invention as discussed above. Used herein in a general sense to refer to a set of computer-executable instructions. In addition, according to one aspect of this embodiment, when executed, one or more computer programs that perform the disclosed methods need not reside on a single computer or processor, It should be understood that various aspects of the present disclosure may be implemented in a modular fashion distributed between different computers or processors.
コンピュータ実行可能命令は、1つまたはそれを上回るコンピュータもしくは他のデバイスによって実行される、プログラムモジュール等の多くの形態であり得る。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施する、または特定の抽象データタイプを実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。典型的には、プログラムモジュールの機能は、種々の実施形態において所望に応じて組み合わせられる、または分散され得る。 Computer-executable instructions may be in many forms, such as program modules, executed by one or more computers or other devices. Generally, program modules include routines, programs, objects, components, data structures, etc. that perform particular tasks or implement particular abstract data types. Typically, the functionality of the program modules may be combined or distributed as desired in various embodiments.
上記に説明される車両に関する制御方法および構造は、いくつかの異なる用途および環境状況において実装され得る。例えば、以下に説明される実施例は、理想化された条件および/または静水において実行されたが、本明細書に説明される方法および車両は、海洋において予期され得るような静止条件または乱流条件のいずれにおいても、適切な制御および/またはフィードバックループの使用を通して実装され得る。 The vehicle control methods and structures described above may be implemented in a number of different applications and environmental situations. For example, although the embodiments described below were performed in idealized conditions and / or still water, the methods and vehicles described herein may be stationary or turbulent as can be expected in the ocean. Any of the conditions can be implemented through the use of appropriate control and / or feedback loops.
実施例:側方移動が誘発した地面効果力のシミュレーション
どのように流体流が本明細書に説明される車両に影響を及ぼすかを探求するために、車両の周囲の流動が、ANSYSからの標準静的CFDソフトウェアである、標準CFXを使用してシミュレートされた。0.5m/秒で移動するシミュレートされた車両に関して、レイノルズ数は、約40,000であり、それに基づいて、κε乱流モデルが、選定された。微細な(高密度)メッシュが、車両と対応する表面との間の間隙領域内に使用された。残りの体積は、標準的なデフォルト設定を使用してメッシュ化された。メッシュ品質が、密度(ノード数)が2倍になるまでメッシュ密度を増加させることによって試験され、10%を下回る揚力および抗力の変化をもたらした。浮力は、含まれなかった。
Example: Simulation of ground effect induced by lateral movement In order to explore how fluid flow affects the vehicles described herein, the flow around the vehicle is a standard from ANSYS. Simulated using standard CFX, static CFD software. For a simulated vehicle moving at 0.5 m / sec, the Reynolds number is about 40,000, based on which the κε turbulence model was selected. A fine (high density) mesh was used in the gap area between the vehicle and the corresponding surface. The remaining volume was meshed using standard default settings. Mesh quality was tested by increasing the mesh density until the density (number of nodes) was doubled, resulting in lift and drag changes of less than 10%. Buoyancy was not included.
シミュレーションが、5mmにおいて実行され、表面にわたって側方に横断する車両と関連付けられる予期される流動および圧力パターンを確認した。具体的には、車両の下の高速度が、圧力の降下を引き起こした。しかしながら、y方向における流動の漏出が、流速の大きさを出口に到達する前に急速に漸減させた。この不均一な流動および圧力分布は、前部よりも後部において高い圧力を引き起こし、ノーズダウンピッチングモーメントをもたらした。しかしながら、ゼロピッチが、アンダーボディの設計ならびに圧力噴流を通した能動的制御を通して達成されることができる。 A simulation was performed at 5 mm to confirm the expected flow and pressure patterns associated with the vehicle traversing laterally across the surface. Specifically, the high speed under the vehicle caused a pressure drop. However, the leakage of flow in the y direction rapidly decreased the magnitude of the flow velocity before reaching the outlet. This non-uniform flow and pressure distribution caused higher pressure at the rear than at the front, resulting in a nose-down pitching moment. However, zero pitch can be achieved through underbody design as well as active control through pressure jets.
流動パターンおよび動力学を確認することに加えて、予期される揚力および吸引力が、計算された。図20および21を参照すると、シミュレーション結果は、ε=h/cを使用して、3つの流動形態を識別した。
1)正の揚力を伴う領域(a)におけるε≦0.01
2)負の揚力を伴う領域(b)における0.01≦ε≦0.3
In addition to confirming the flow pattern and kinetics, the expected lift and suction forces were calculated. Referring to FIGS. 20 and 21, the simulation results identified 3 flow forms using ε = h / c.
1) ε ≦ 0.01 in region (a) with positive lift
2) 0.01 ≦ ε ≦ 0.3 in region (b) with negative lift
3)地面効果力がもはや顕著ではない領域(c)におけるε≧0.3 3) ε ≧ 0.3 in the region (c) where the ground effect force is no longer significant
図20および21は、種々の間隙長において、0.5m/秒の速度で移動する車両に関するシミュレーション結果を示す。表面に極めて近接し、2mmを下回ると(領域a)、揚力が、車両に作用する。車両は、2mmにおいて安定し、全ての力は、平衡する。2mmを上回ると(領域b)、ベンチュリ力が、車両を地面に向かって引動するが、50mmの周囲に第2の均衡点が存在する。しかしながら、これは、安定しない均衡点(すなわち、正の傾き)である。したがって、車両が均衡点から離れるように変位される場合、これは、これを戻すように付勢しない地面効果力に起因して、均衡点から離れ続けるであろう。50mmを上回ると、再び、正味揚力が存在し、これは、本体が自由流挙動に円滑に遷移するにつれて、大きい距離に及ぶ。 20 and 21 show simulation results for a vehicle moving at a speed of 0.5 m / sec over various gap lengths. When very close to the surface and below 2 mm (region a), lift acts on the vehicle. The vehicle is stable at 2 mm and all forces are balanced. Above 2 mm (region b), the Venturi force pulls the vehicle toward the ground, but there is a second equilibrium point around 50 mm. However, this is an unstable point of equilibrium (ie a positive slope). Thus, if the vehicle is displaced away from the equilibrium point, this will continue to leave the equilibrium point due to ground effect forces that do not bias it back. Above 50 mm, there is again a net lift, which spans large distances as the body smoothly transitions to free flow behavior.
領域(a)Fz>0(揚力)から領域(b)Fz<0(吸引力)への遷移は、Fz=0である、2mm付近で起こる。この点における負の傾きは、これを安定した均衡位置にする。具体的には、正のz変位が、Fz<0をもたらす一方、負の変位は、Fz>0をもたらす。したがって、車両は、Fz=0点に戻される。対照的に、50mmの周囲のFz=0点において、正のz変位は、正のFzをもたらし、車両をさらに離すように押動し、対応して、負のz変位は、負のFzをもたらし、これは、車両をさらに下方に吸引する。大きい負の勾配(すなわち、大きい復元力)と組み合わせられる、2mmにおける力の消失は、これが、車両が流体力学のみを使用して小さい間隙において安定化することを可能にし得るため、特に有用である。 The transition from region (a) F z > 0 (lift) to region (b) Fz <0 (suction force) occurs around 2 mm where Fz = 0. A negative slope at this point makes it a stable equilibrium position. Specifically, positive z displacement results in Fz <0, while negative displacement results in Fz> 0. Therefore, the vehicle is returned to Fz = 0 point. In contrast, at a Fz = 0 point around 50 mm, a positive z displacement results in a positive Fz and pushes the vehicle further away, correspondingly a negative z displacement causes the negative Fz to This will suck the vehicle further down. The disappearance of the force at 2 mm combined with a large negative slope (ie a large restoring force) is particularly useful as this may allow the vehicle to stabilize in a small gap using only hydrodynamics. .
図22は、0.4m/秒〜1m/秒に及ぶ速度での1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、5mm、および6.5mmにおける稼働に関するCFDシミュレーションを示す。揚力は、乱流に関して予期されるように、v2に従うことが観察される。抗力(図示せず)もまた、v2として変動する。速度に依存しない抗力および揚力係数が、したがって、モデル化を目的として、力対速度の代わりに使用された。
実施例:安定性分析
FIG. 22 shows CFD simulations for operation at 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm, 5 mm, and 6.5 mm at speeds ranging from 0.4 m / sec to 1 m / sec. It is observed that the lift follows v 2 as expected for turbulence. Drag (not shown) also varies as v 2. Speed independent drag and lift coefficients were therefore used instead of force versus speed for modeling purposes.
Example: Stability analysis
車両は、その均衡点において安定するが、いくつかの事例では、車両が自己補正しながら耐え得る、zにおける最大摂動を把握することが、望ましい。図24は、表面に対して側方に0.5m/秒で移動する、2.2kgの質量mを伴う車両に対して計算された速度および変位のグラフを提示する。モデルにおいて使用された復元力は、以下であった。
本システムは、復元力に等しいばね定数kを伴うばね質量系としてモデル化された。したがって、共振周波数が、以下のように計算された。
車両は、次いで、均衡から1mmの変位を受けた。本図は、変位および速度が緩慢に減衰され、車両が均衡位置に自動的に戻される際に0付近で発振する、それらを示す。 The vehicle was then subjected to a displacement of 1 mm from equilibrium. The figure shows that the displacement and speed are slowly attenuated and oscillates near zero when the vehicle is automatically returned to the equilibrium position.
車両が速度vzを有するように摂動される場合、付与される運動エネルギー1/2mvz 2は、車両を距離h’だけ移動させ、運動エネルギーは、貯蔵された位置エネルギー1/2kh’2に等しい。付与される運動エネルギーが、位置エネルギーを上回る場合、それは、間隙距離を越えることなく貯蔵されることができ、以下となる。
これは、能動的推力が車両に印加されない限り、車両が表面に接触することをもたらし得る。これは、車両が安定した均衡位置から摂動されるとき、いつこれを能動的に制御するかを判定するために使用され得る概念であり得る。例えば、上記の関係は、以下を提供するように再整理され得る。
したがって、表面に対して特定の場所における車両の自然周波数に間隙距離を乗算したものが、表面に対する車両の速度の大きさを下回る場合、能動的推力が、車両に印加され、所望の位置に向かって戻すように車両を付勢し、速度を弱め、座礁を回避し得る。代替として、高さの代わりに、本関係は、いつ能動的推力を車両に印加するかを判定し、車両を所望の場所の閾値距離内に維持するために使用されてもよい。
実施例:サイズ効果分析
Therefore, if the natural frequency of the vehicle at a particular location relative to the surface, multiplied by the gap distance, is less than the magnitude of the vehicle's speed relative to the surface, active thrust is applied to the vehicle toward the desired location. Can force the vehicle back and slow down, avoiding grounding. Alternatively, instead of height, this relationship may be used to determine when to apply active thrust to the vehicle and to keep the vehicle within a desired location threshold distance.
Example: Size effect analysis
次に、地面効果力を受ける車両の動力学に対するサイズの効果が、調査された。本シミュレーションに関して、全ての寸法は、通常の1倍サイズの車両と比較して、1/2および2の定数によってスケール変更された。図25および26は、0.5m/秒および1.0m/秒における異なるサイズの車両に対して計算された無次元揚力係数CLを提示する。本図から、CLは、εの関数であると考えられるが、サイズおよび速度とほぼ無関係である。より高い速度およびサイズにおけるCLの観察される逸脱は、間隙を通した層流から乱流への遷移に対応し得る。適切なスケール係数を使用すると、これは、サイズが増加するにつれて、車両の力対質量比が低下することを意味する。しかしながら、車両が受け得る最大速度摂動は、間隙も同様にスケール変更される場合、サイズとは無関係である。さらに、共振周波数は、より大きいサイズに関して低下し、制御システムが応答するより多くの時間を可能にする。加えて、地面効果力および関連付けられる傾きも同様に、サイズとともに増加すると考えられ、これは、車両の対応する均衡間隙も同様に増加させることが望ましくあり得ることを示唆する。
実施例:側方移動が誘発した地面効果力の試験
Next, the effect of size on the dynamics of vehicles subject to ground effects was investigated. For this simulation, all dimensions were scaled by a constant of 1/2 and 2 compared to a normal 1x size vehicle. FIGS. 25 and 26 present the dimensionless lift coefficient C L calculated for different sized vehicles at 0.5 m / sec and 1.0 m / sec. From this figure, C L is considered to be a function of epsilon, it is substantially independent of the size and speed. Deviations observed in C L at higher speeds and sizes may correspond from laminar flow through the gap transition to turbulence. Using an appropriate scale factor, this means that as the size increases, the force-to-mass ratio of the vehicle decreases. However, the maximum speed perturbation a vehicle can experience is independent of size if the gap is scaled as well. In addition, the resonant frequency decreases for larger sizes, allowing more time for the control system to respond. In addition, ground effect forces and associated slopes are also considered to increase with size, suggesting that it may be desirable to increase the corresponding balance gap of the vehicle as well.
Example: Test of ground effect induced by lateral movement
図23は、水充填曳航水槽内のATI力およびトルクセンサに接続された中空鋼ロッドを使用して懸下された車両に関する実験的揚力データを提示する。種々の試験は、台から1mm、1.5mm、2mm、5mm、および6.5mmの間隙において、ならびに自由流において実行された。試験速度は、0.1m/秒〜1m/秒に変動され、加えて定常であった。抗力および揚力の両方が、測定され、図22に示されるCFD結果と比較された。図23は、対応するCFDデータとの比較を促進するために、測定された揚力から自由流力を差し引いたものを提示する。可変速度および間隙から測定された実験データ点は、力対速度に関する二次適合がオーバーレイされた。図23に示される最も顕著な特徴は、1mm間隙における、特に、1m/秒速度における揚力である。しかしながら、力は、1.5mmにおいて全ての速度に関して非常に小さい。1.5mmを上回ると、負の揚力(ベンチュリ効果)が、起こる。6mmを上回ると、この負の力は、消失し始める。図27は、二次適合がオーバーレイされた異なる間隙および速度における抗力Fxに関する対応する実験データを提示する。 FIG. 23 presents experimental lift data for a vehicle suspended using a hollow steel rod connected to an ATI force and torque sensor in a water filled tow tank. Various tests were performed in 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 5 mm, and 6.5 mm gaps from the platform and in free flow. The test speed was varied from 0.1 m / sec to 1 m / sec and in addition steady. Both drag and lift were measured and compared to the CFD results shown in FIG. FIG. 23 presents the measured lift minus the free flow force to facilitate comparison with the corresponding CFD data. Experimental data points measured from variable speed and gap were overlaid with a quadratic fit for force versus speed. The most prominent feature shown in FIG. 23 is lift in a 1 mm gap, especially at a speed of 1 m / sec. However, the force is very small for all speeds at 1.5 mm. Above 1.5 mm, negative lift (venturi effect) occurs. Beyond 6 mm, this negative force begins to disappear. FIG. 27 presents corresponding experimental data for drag F x at different gaps and velocities overlaid with second order fits.
図28および29は、良好に一致する、CFDおよび上記に留意される実験データから計算された抗力および揚力係数の比較を提示する。
実施例:噴流が誘発した地面効果力の試験のための車両
Figures 28 and 29 present a comparison of drag and lift coefficients calculated from CFD and the experimental data noted above, in good agreement.
Example: Vehicle for testing of jet-induced ground effect forces
車両は、車両の中心底部に位置する、単一の5mm直径の円筒形ノズルを伴う楕円車体を有していた。0〜12Vで給電される単純な遠心ポンプが、内側に搭載され、流動は、短い管(15mm長)を通してノズルへと通過した。ポンプに関する電圧対流動特性が、図30に示される。ポンプの有効作業領域は、3〜12Vであり、12Vにおいて30kPaの最大ヘッド圧を伴った。これらの実験に関して、車両は、水中で3gf(重量グラム)または0.03Nの正味水中重量を有していた。自由流において、噴流は、0.0007N(3Vにおいて)〜0.036N(12Vにおいて)の力を生産した。したがって、噴流推力が単独で重量からの下向き力に厳密に対抗する、1つの設定が存在し、そして1つしか存在しない。これは、表面から離れた任意の深さに対する均衡条件である。本挙動は、ここでは、中立的浮遊体のものと類似する。したがって、推力におけるわずかな増加は、車両を上昇させ、わずかな減少は、これを沈下させる。したがって、これは、中立均衡状態にある。
実施例:噴流が誘発した地面効果力の試験
The vehicle had an elliptical body with a single 5 mm diameter cylindrical nozzle located at the center bottom of the vehicle. A simple centrifugal pump powered by 0-12V was mounted inside and the flow passed through a short tube (15 mm long) to the nozzle. The voltage versus flow characteristics for the pump are shown in FIG. The effective working area of the pump was 3-12V, with a maximum head pressure of 30 kPa at 12V. For these experiments, the vehicle had a net underwater weight of 3 gf (grams per gram) or 0.03 N in water. In free flow, the jet produced forces from 0.0007 N (at 3V) to 0.036 N (at 12V). Thus, there is one setting, and only one, where the jet thrust alone counters the downward force from the weight. This is an equilibrium condition for any depth away from the surface. This behavior is here similar to that of a neutral suspension. Thus, a slight increase in thrust will raise the vehicle and a slight decrease will cause it to sink. This is therefore in a neutral equilibrium state.
Example: Test of ground effect force induced by jet
図31は、12V(すなわち、0.036N)において機能するポンプに関する表面からの揚力対間隙距離を提示する。本図に見られるように、車両は、領域1において圧力が車両の下で自由流推力を上回るレベルまで蓄積する流体膜ベースの挙動から、噴流が誘発した揚力損失が、これが最大吸込に到達するまで揚力を低減させるように優勢になり始める領域2に遷移する。噴水効果が、次いで、優勢になり始め、領域3において揚力を自由流推力を上回るまで増加させる。揚力は、次いで、自由流条件において、より長い距離において自由流推力まで減衰する。
実施例:噴流が誘発した地面効果力のシミュレーション
FIG. 31 presents lift versus clearance distance from the surface for a pump functioning at 12V (ie, 0.036 N). As can be seen in this figure, the vehicle has a fluid film-based behavior in which pressure builds up in region 1 to a level above the free flow thrust under the vehicle, and the jet-induced lift loss reaches maximum suction. Transition to region 2 which starts to prevail so as to reduce the lift. The fountain effect then begins to dominate and increases the lift in region 3 until it exceeds the free flow thrust. The lift then decays to free flow thrust at longer distances in free flow conditions.
Example: Simulation of ground effect force induced by jet
潤滑理論は、比較的に深く理解されているため、シミュレーションは、垂直および離着陸シミュレーションに若干類似する、水中環境における表面に向かって下向きに配向される噴流の乱流モデルに限定された。モデルは、ANSYSからの標準静的CFDソフトウェアである、CFXを使用して設定された。乱流は、κ−εモデルによってハンドリングされた。メッシュは、高度なサイズ関数のために「Proximity and Curvature」を使用して生成され、特に、表面に近接するとき、車両底部の周囲に高密度なメッシュをもたらした。ポンプは、パイプの上部における入口によって表され、入口流率は、上記に留意されるポンプの測定された特性と一致するように設定される。シミュレーションは、それぞれ、100mmおよび20mmの間隙サイズにおいて全電力(12V)に対応する流率に対する吸込現象を確認した。具体的には、予期される本体の下の下向き流動と、小さい間隙に関して、地面渦を形成する本体の真下の低圧領域との両方が、観察される。シミュレーションはまた、表面に衝突する噴流からの吹上が、方向を変化させ、車両の下面の縁から逃散し、噴水効果から観察される付加的揚力をもたらすことを確認した。 Since the theory of lubrication is relatively deeply understood, the simulation was limited to a turbulent model of a jet oriented downward toward the surface in an underwater environment, somewhat similar to vertical and takeoff and landing simulations. The model was set up using CFX, a standard static CFD software from ANSYS. Turbulence was handled by the κ-ε model. The mesh was generated using “Proximity and Curve” for advanced size functions, resulting in a dense mesh around the bottom of the vehicle, especially when close to the surface. The pump is represented by an inlet at the top of the pipe and the inlet flow rate is set to match the measured characteristics of the pump noted above. The simulation confirmed the suction phenomenon for the flow rate corresponding to the total power (12V) at a gap size of 100 mm and 20 mm, respectively. Specifically, both the expected downward flow of the body and, for small gaps, both a low pressure region just below the body that forms a ground vortex is observed. The simulation also confirmed that the blow-up from the jet impinging on the surface changes direction and escapes from the lower edge of the vehicle, resulting in additional lift observed from the fountain effect.
図32は、ポンプに印加される異なる電圧および対応して異なる噴流速度に対して計算された、表面からの揚力対間隙距離を提示する。本図に見られるように、揚力曲線は、図31に示されるものと類似する挙動を呈する。しかしながら、電圧が低下するにつれて、すなわち、噴流速度が低下するにつれて、ピーク噴水効果力は、着実に減少し、噴水効果が十分に低い電圧/速度における吸引によって圧倒されるまで、より小さい間隙サイズに移動する。図32は、1Vの増分における5V〜10Vに及ぶポンプに印加される異なる電圧に対して測定された、表面からの正味揚力対間隙距離に関する類似するデータを提示する。 FIG. 32 presents lift versus clearance distance from the surface, calculated for different voltages applied to the pump and correspondingly different jet velocities. As can be seen in this figure, the lift curve behaves similar to that shown in FIG. However, as the voltage decreases, i.e., as the jet velocity decreases, the peak fountain effect decreases steadily to a smaller gap size until the fountain effect is overwhelmed by suction at a sufficiently low voltage / velocity. Moving. FIG. 32 presents similar data on net lift from the surface versus gap distance measured for different voltages applied to the pump ranging from 5V to 10V in 1V increments.
図32は、水中に浸漬される(ポンプ電力のための)可変ケーブル長に関する補正を含むことに留意されたい。しかしながら、ケーブルの剛度は、モデル内に含まれない。したがって、測定値との定質的一致が存在するが、モデルによって計算されるように、ポンプ電力とともに変動する距離における安定した均衡は、予期されるように、測定された安定した距離および対応する電圧と定量的に一致しない。
実施例:車両の安定点の測定
Note that FIG. 32 includes a correction for variable cable length (for pump power) immersed in water. However, the stiffness of the cable is not included in the model. Thus, although there is a qualitative agreement with the measured value, as calculated by the model, a stable equilibrium in the distance that varies with the pump power is consistent with the measured stable distance and the corresponding Does not quantitatively match the voltage.
Example: Measuring the stability point of a vehicle
3gmfの正味重量を伴う車両が、2フィートの水中において水槽の床上に配置された。水よりも重いため、本体は、水槽底面と接触したままであった。底部噴流が3ボルトにおいて給電されても、車両は、依然として、表面と接触したままであった。電圧が上昇されるにつれて、車両は、揺動する傾向にあり、これは、2つの表面の不完全な噛合に起因するものとして解釈された。流体は、ノズルから浸出し、車両の下方に膜を形成した。これは、車両が軽く叩かれたときに明白であった。噴流をオフにすると、車両は、殆ど移動しないであろう。対照的に、噴流が給電されると、車両は、円滑かつ相当な距離にわたって移動し、潤滑流体および伝搬媒体の両方が水である潤滑理論の単純な実証を例証した。 A vehicle with a net weight of 3 gmf was placed on the aquarium floor in 2 feet of water. Because it is heavier than water, the body remained in contact with the bottom of the aquarium. Even though the bottom jet was powered at 3 volts, the vehicle remained in contact with the surface. As the voltage was increased, the vehicle tended to swing, which was interpreted as due to incomplete meshing of the two surfaces. The fluid leached out of the nozzle and formed a film below the vehicle. This was evident when the vehicle was tapped. When the jet is turned off, the vehicle will hardly move. In contrast, when the jet was powered, the vehicle moved smoothly and over a considerable distance, demonstrating a simple demonstration of lubrication theory where both the lubricating fluid and the propagation medium are water.
次に、車両は、力センサに取り付けられ、5フィートの深い水槽の床の上方に懸下された。超音波距離計が、車両と床との間の距離を測定するために使用された。床の4.5フィート上方において、ポンプが10Vにおいて給電されると、噴流の推力は、ロボットの重量を平衡させた、すなわち、力センサは、ゼロを読み取った。車両挙動が地面効果によって圧倒されているかどうかをチェックするために、車両は、ポンプを10Vにおいて給電するように保ちながら、4フィートの深さまで下げられた。車両は、その高さにおいても同様に中立均衡を維持し、地面が支配的要因ではないことを示した。しかしながら、3.5フィートにおいて、車両は、これを4フィートまで戻すように押動する上向き力を被った。さらに、車両が再び4.5フィートに配置され、電圧が8ボルトに減少されると、車両は、予期されるように、沈下し始めたが、続けて3.5フィートにおいて安定した。電圧がさらに減少されるにつれて、車両は、表面に対する新しい安定した均衡点まで対応して沈下した。これは、4Vまで観察され、その設定において、車両は、表面から2フィートにおいて安定した。これらの測定は、5回にわたって繰り返された。測定された安定した均衡点対ポンプ電圧は、図34に示される。加えて、図35に示されるように、各電圧における自由流推力が、ポンプ特性を使用して計算され、これは、次いで、各安定点における対応する吹上力を計算するために使用され、これは、次いで、推力に正規化された。
実施例:制御スラスタ設計
The vehicle was then attached to a force sensor and suspended above a 5 foot deep aquarium floor. An ultrasonic rangefinder was used to measure the distance between the vehicle and the floor. When the pump was powered at 10V, 4.5 feet above the floor, the jet thrust balanced the weight of the robot, ie the force sensor read zero. To check if the vehicle behavior was overwhelmed by ground effects, the vehicle was lowered to a depth of 4 feet, keeping the pump powered at 10V. The vehicle maintained a neutral equilibrium at that height as well, indicating that the ground was not the dominant factor. However, at 3.5 feet, the vehicle suffered an upward force that pushed it back to 4 feet. In addition, when the vehicle was again placed at 4.5 feet and the voltage was reduced to 8 volts, the vehicle began to sink as expected but continued to stabilize at 3.5 feet. As the voltage was further reduced, the vehicle sank correspondingly to a new stable equilibrium point with respect to the surface. This was observed up to 4V, in which the vehicle was stable at 2 feet from the surface. These measurements were repeated 5 times. The measured stable balance point versus pump voltage is shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 35, the free flow thrust at each voltage is calculated using the pump characteristics, which are then used to calculate the corresponding blowing force at each stable point, Was then normalized to thrust.
Example: Control thruster design
図36および37は、平坦底部を伴う寸法203mm×152mmの楕円車両に関するスラスタレイアウトを描写する。結果として生じる縦横比は、約4:3であり、これは、車両の制御性を改良し得る。当然ながら、サイズは、種々のタイプの電子機器およびセンサを収容するために、より小さく、またはより大きくのいずれかで、調節されることができる。本図に示されるように、車両は、6つのスラスタまたは噴流を有する。具体的には、4つの「推進噴流」(J1、J2、J5、J6)および2つの「圧力噴流」(J3、J4)が存在する。推進噴流は、xy面におけるγの内向き角に配向され、これは、本システムのヨー−スウェイ動力学を決定する。非ゼロのγが、摩擦がないときに本システムの制御性を改良することに役立ち得るが、ゼロの角度もまた、使用され得る。最初の試験事例であった水平面上の安定性に関して、車両の重心(CG)は、浮心の下方に位置した。これは、バラストをロボットの底部に配置することによって行われた。より複雑な場合(例えば、垂直壁を検査する、またはパイプの周囲を周回する)に関して、先に説明されたように、CG場所を調節することが、望ましくあり得る。噴流J1、J2、J5、およびJ6は、それらが本システムのCGを通過するように、角度βにおいて配向され得ることに留意されたい。これは、推力が誘発する車両のピッチングを低減または排除することに役立ち得る。しかしながら、摩擦または表面曲率が、依然として、車両の能動的ピッチ制御を要求し得る。このピッチ制御は、図37に示されるように、αの角度において垂直に上向きに配向される2つの圧力噴流J3およびJ4を使用して提供され得る。 Figures 36 and 37 depict a thruster layout for an elliptical vehicle with dimensions 203mm x 152mm with a flat bottom. The resulting aspect ratio is about 4: 3, which can improve the controllability of the vehicle. Of course, the size can be adjusted either smaller or larger to accommodate various types of electronics and sensors. As shown in this figure, the vehicle has six thrusters or jets. Specifically, there are four “propulsion jets” (J1, J2, J5, J6) and two “pressure jets” (J3, J4). The propulsion jet is oriented at an inward angle of γ in the xy plane, which determines the yaw-way dynamics of the system. While non-zero γ can help improve the controllability of the system in the absence of friction, a zero angle can also be used. Regarding the stability on the horizontal plane, which was the first test case, the center of gravity (CG) of the vehicle was located below the buoyancy. This was done by placing the ballast at the bottom of the robot. For more complex cases (eg, inspecting a vertical wall or circling around a pipe), it may be desirable to adjust the CG location as described above. Note that the jets J1, J2, J5, and J6 can be oriented at an angle β such that they pass through the CG of the system. This can help reduce or eliminate thrust-induced vehicle pitching. However, friction or surface curvature may still require active pitch control of the vehicle. This pitch control can be provided using two pressure jets J3 and J4 oriented vertically upwards at an angle α, as shown in FIG.
異なる噴流配列を伴う2つの車両が、接触モードにおいて、車両が表面と接触しながら表面にわたって横断される表面を用いて試験された。 Two vehicles with different jet arrangements were tested in contact mode with a surface traversed across the surface while the vehicle was in contact with the surface.
2つの角度付けられない圧力噴流および4つの角度付けられない推進噴流を伴う第1の車両は、これを中立浮力よりもわずかに重くし、水中の水平面上に置くことによって試験された。図38および39は、車両の外部および内部の写真である。本写真では、車両は、平坦底部を伴う楕円車体を有し、角度付けられない噴流は、その表面の周囲に分散される。内部写真は、4つの推進噴流に動力供給するために使用されるポンプ、弁、および油圧接続の配置を示す。試験中、噴流J1およびJ2がオンにされ、車両を水平方向に推進させると、車両は、前方に進む代わりに、ノーズダウンピッチを被り、円形に進んだ。図40および41では、車両がヨーイングする際、車両は、小さい角度θにおいてノーズダウンピッチングされた位置に見られることができる。理論によって拘束されるわけではないが、この第1の車両は、直進する噴流を有し、したがって、重心までのモーメントアームの長さは、ピッチダウンモーメントをもたらした。地面接点からの摩擦力もまた、ピッチダウンモーメントに寄与した。さらに、表面に対する車両の側方速度が小さいことに起因して、抗力は、この効果を補償し得なかった。したがって、ムンクモーメントが、偶発的な横滑り摂動と組み合わせて、一定のヨーレートをもたらし、車両は、円形に進むことが観察された。 A first vehicle with two non-angled pressure jets and four non-angled propulsion jets was tested by placing it on a horizontal surface in water, making it slightly heavier than neutral buoyancy. 38 and 39 are photographs of the exterior and interior of the vehicle. In this photograph, the vehicle has an elliptical body with a flat bottom and the non-angled jet is distributed around its surface. The internal picture shows the arrangement of pumps, valves and hydraulic connections used to power the four propulsion jets. During the test, when jets J1 and J2 were turned on and the vehicle was propelled horizontally, the vehicle suffered a nose down pitch and proceeded in a circle instead of moving forward. In FIGS. 40 and 41, when the vehicle yaws, the vehicle can be seen in a nose-down pitched position at a small angle θ. While not being bound by theory, this first vehicle had a straight jet, so the length of the moment arm to the center of gravity resulted in a pitch-down moment. Frictional force from the ground contact also contributed to the pitch-down moment. Furthermore, drag could not compensate for this effect due to the low lateral speed of the vehicle relative to the surface. Thus, it was observed that the Munch moment combined with an accidental skid perturbation resulted in a constant yaw rate and the vehicle traveled in a circle.
試験された第2の車両もまた、上記に議論されるような推進および圧力噴流を含んだ。加えて、第1の車両において観察された推力が誘発したピッチングに対抗することに役立てるために、噴流は、角度βに配向され、CGに対する推進噴流のモーメントアームを低減させた。簡易化するために、βが、選定され、したがって、力ベクトルは、車両の推定される重心を通過し、それによって、そうでなければ噴流を車両の上側半分に配置することによって引き起こされるピッチを最小限にした(図42および43参照)。試験中、車両は、噴流1および2がオンにされると、ピッチングしなかった。しかしながら、車両は、ムンクモーメントに起因して、ヨーイングした。この効果を補償することに役立てるために、単純なPDコントローラおよび閉ループ応答のチェックが、実装された。図44は、低摩擦ガラス表面(μk<0.3)上の車両の閉ループおよび開ループ軌跡の比較を示す。本図に見られるように、所与の摩擦に関して、単純なPDコントローラが、ヨー角を正常に制御することが可能であった。非常に高い摩擦に関して、ムンクモーメントは、ヨーレートを実質的に低減させるであろう制動トルクに直面するであろうことに留意されたい。 The second vehicle tested also included propulsion and pressure jets as discussed above. In addition, in order to help counter the pitching induced by the thrust observed in the first vehicle, the jet was oriented at an angle β, reducing the moment arm of the propulsion jet relative to the CG. For simplicity, β is chosen so that the force vector passes through the estimated center of gravity of the vehicle, thereby reducing the pitch caused by placing the jet in the upper half of the vehicle otherwise. Minimized (see FIGS. 42 and 43). During the test, the vehicle did not pitch when jets 1 and 2 were turned on. However, the vehicle yawed due to the Munch moment. To help compensate for this effect, a simple PD controller and closed loop response check was implemented. FIG. 44 shows a comparison of the closed loop and open loop trajectories of a vehicle on a low friction glass surface (μ k <0.3). As can be seen in this figure, for a given friction, a simple PD controller was able to control the yaw angle normally. Note that for very high friction, the Munch moment will face a braking torque that will substantially reduce the yaw rate.
本教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されたが、本教示が、そのような実施形態または実施例に限定されることは意図されない。対照的に、本教示は、当業者によって理解されるであろうように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。故に、前述の説明および図面は、実施例にすぎない。
Although the present teachings have been described in conjunction with various embodiments and examples, it is not intended that the present teachings be limited to such embodiments or examples. On the contrary, the present teachings encompass various alternatives, modifications, and equivalents, as will be appreciated by those skilled in the art. Therefore, the foregoing description and drawings are merely examples.
Claims (25)
流体中に浸漬された前記車両を表面に対して第1の事前選択された距離に位置付けるステップと、
前記車両を前記第1の事前選択された距離に維持するために、前記車両に地面効果力を印加するステップと、
を含む、方法。 A method for controlling a vehicle immersed in a fluid, comprising:
Positioning the vehicle immersed in a fluid at a first preselected distance relative to a surface;
Applying a ground effect to the vehicle to maintain the vehicle at the first preselected distance;
Including a method.
表面に対する地面効果力の第1の安定した均衡距離において前記車両に前記地面効果力を印加するステップであって、その結果、前記車両が前記表面に対して変位されると、前記地面効果力は、前記車両を前記第1の安定した均衡距離に向かって付勢する、ステップ
を含む、方法。 A method for controlling a vehicle immersed in a fluid, comprising:
Applying the ground effect force to the vehicle at a first stable equilibrium distance of the ground effect force relative to a surface, so that when the vehicle is displaced relative to the surface, the ground effect force is Urging the vehicle toward the first stable equilibrium distance.
前記車両の平坦部分を表面に向かって配向するステップと、
前記車両を前記表面に向かって付勢する推力を前記車両に印加するステップと、
前記表面に対して前記車両に地面効果力を印加するステップであって、前記車両の正味重量、前記車両を表面に向かって付勢する正味推力、および前記表面と関連付けられる地面効果力は、前記表面に向かって配向される方向において前記車両に印加される実質的に正味ゼロの力をもたらす、ステップと、
を含む、方法。 A method for controlling a vehicle immersed in a fluid, comprising:
Orienting a flat portion of the vehicle toward a surface;
Applying a thrust force to the vehicle to urge the vehicle toward the surface;
Applying a ground effect force to the vehicle against the surface, the net weight of the vehicle, a net thrust force urging the vehicle toward the surface, and a ground effect force associated with the surface, Providing a substantially net force applied to the vehicle in a direction oriented toward the surface;
Including a method.
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